왼쪽부터 아유니 박사과정생, 손동환 연구원, 김주현 교수

국립부경대학교 고분자공학전공 김주현 교수 연구팀이 차세대 태양전지의 발전 효율과 안정성을 동시에 높일 수 있는 새로운 핵심 소재를 개발했다.

김주현 교수와 아유니(Qurrotun Ayuni Khoirun Nisa) 박사과정생, 손동환 연구원 등 연구팀은 페로브스카이트 태양전지와 유기태양전지에 공통으로 적용할 수 있는 페노티아진 기반 자기조립단분자막(SAM) 정공수송층을 개발하고, 소재의 분자 구조를 조절해 태양전지의 성능을 향상시키는 데 성공했다.

정공수송층은 태양전지 내부에서 빛을 받아 만들어진 전하 중 정공(양전하)을 효율적으로 이동시키는 역할을 하는 핵심 소재다. 연구팀은 분자에 도입하는 치환기에 따라 소재의 특성을 비교·분석하고, 아세틸기를 도입한 소재(PTZ-diACE)가 가장 우수한 성능을 나타낸다는 사실을 확인했다.

특히 PTZ-diACE는 분자에 포함된 아세틸기와 황 원자가 태양전지 내부 계면에 남아 있는 결함과 상호작용해 이를 효과적으로 줄여준다. 또한 계면에 전기적 변화를 일으켜 전하가 원활하게 이동하도록 돕고, 태양전지 내부에서 에너지가 불필요하게 손실되는 현상을 억제한다. 이를 통해 태양전지의 전력 생산 효율과 안정성을 함께 높일 수 있다.

실제 소자 성능 평가에서 PTZ-diACE를 적용한 역구조 페로브스카이트 태양전지는 25.5%의 광전변환효율을 달성했다. 또한 500시간이 지난 후에도 초기 효율의 93%를 유지해 우수한 안정성을 확인했다. 유기태양전지에서도 20.4%의 효율을 달성하는 등 서로 다른 종류의 태양전지에 적용할 수 있는 가능성을 입증했다.

김주현 교수는 “이번 연구로 하나의 소재 설계 전략으로 페로브스카이트와 유기태양전지의 성능을 동시에 개선할 수 있는 가능성을 제시했다. 또한 분자에 어떤 기능기를 도입하느냐에 따라 태양전지 내부의 결함을 줄이고 전하 이동을 개선할 수 있다는 설계 원리를 제시해, 향후 고효율·고안정성 차세대 태양전지 소재 개발에 기여할 것으로 기대된다”고 밝혔다.

이번 연구성과는 에너지 분야 세계적 학술지인 ‘Advanced Energy Materials’(IF 25.5, JCR 상위 2.6%)에 11월 2일 게재됐다.