부산대학교(총장 최재원)는 나노에너지공학과 서지연 교수와 경상국립대 김윤희 교수, 아주대 권오필 교수 공동연구팀이 미래 신소재 페로브스카이트 태양전지(PSCs)의 장기 안정성과 광전 변환 효율을 동시에 향상시킬 수 있는 새로운 접착층 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

최근 신재생 에너지에 대한 관심이 높아지며 PSCs는 높은 광전 변환 효율과 반투명하고 유연한 박막 특성으로 인해 차세대 태양전지로 떠올랐다. 특히, 기판을 기준으로 P-type 반도체 박막, 페로브스카이트 박막, N-type 반도체 박막을 순서대로 적층하는 역구조(Inverted structure, p-i-n) PSCs는 생산성이 높은 용액 공정을 기반으로, 유연 태양전지(Flexible solar cells) 또는 실리콘-페로브스카이트 적층형 태양전지(Si-Perovskite tandem solar cells) 등 다양한 분야에 적용될 수 있어 더욱 각광받고 있다.

기존의 역구조 PSCs에서 전자 수송층으로 널리 활용되는 풀러렌(Fullerene, C60)은 반데르발스(Van der waals) 상호작용으로 페로브스카이트 박막과의 결합력이 감소했다. 이로 인해 PSCs의 효율이 저하되고 장기 안정성도 감소하며, 외부 스트레스에 의해 이러한 문제가 더욱 심화되기 때문에 상용화의 걸림돌로 작용해 왔다.

연구팀은 전자결핍성 분자접착제(Electron-deficient intermolecular adhesives, EDIAs)를 광활성층 페로브스카이트 박막과 전자수송층 풀러렌(Fullerene, C60) 박막의 계면(界面)에 적용해 이러한 문제점을 효과적으로 개선했다.

EDIAs 물질 적용 및 결과.

새롭게 개발된 전자결핍성 분자접착제(EDIAs) 물질은 전자 결핍 아렌 작용기(Electron-deficinet arene group)와 소수성 부동태화 작용기(Hydrophobic passivation group), 2차 앵커링 작용기(Secondary anchoring group)로 이뤄져 있으며, 전자 결핍 아렌 작용기를 통해 효과적으로 페로브스카이트 박막 위에 결합될 수 있다.

이렇게 페로브스카이트 박막에 결합한 EDIAs 물질은 페로브스카이트 박막의 표면 결합력을 향상시키며, 탄소 기반 소수성 작용기는 페로브스카이트 박막 표면을 효과적으로 부동태화할 수 있다.

이후 증착되는 풀러렌은 EDIAs 박막의 전자결핍 아렌 작용기와 강하게 결합하며, 공명 구조 기반의 결합부를 통해 효과적인 전자 수송 경로를 형성한다. EDIAs 박막이 적용되면 풀러렌은 더욱 우수한 N-type 특성을 갖게 되고, 결과적으로 PSCs의 광전기적 성능 향상에 기여한다.

연구팀은 EDIAs 물질을 PSCs에 도입하고 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy, XPS)과 자외선 광전자 분광법(Ultraviolet photoelectron spectroscopy, UPS)을 포함한 심층 분석을 진행해 EDIAs 물질이 PSCs의 장기 안정성과 광전 변환 효율을 향상시키는 메커니즘을 규명했다. 외부의 기계적 스트레스가 작용하는 조건에서도 균열 발생을 현저히 감소시켜 소자의 안정적인 작동에 기여할 수 있음을 밝혔다.

특히, 2차 앵커링 작용기가 없는 NDI-C11 물질은 긴 탄소 사슬(Carbon chain)로 인해 오히려 박막의 균일한 형성을 방해하고 풀러렌과의 상호작용을 저해하는 것으로 나타났으며, 아세틸 작용기(Acetyl group)와 같은 2차 앵커링 작용기를 포함한 NDI-C9-Ace 물질이 이상적인 EDIAs 소재로 작용할 수 있음을 입증했다.

부산대 서지연 교수는 “이번 연구는 하나의 물질로 다기능성 박막을 형성해 페로브스카이트 태양전지의 광전기화학적 성능과 내구성을 효과적으로 향상시킨 것”이라며 “단일 접합 페로브스카이트 태양전지는 물론 유연 태양전지와 실리콘-페로브스카이트 적층형 태양전지 등 다양한 형태의 소자에 적용 가능한 범용 기술로서의 가능성을 보여준다”고 말했다.

해당 논문은 국제 학술지 『Journal of Energy Chemistry』 온라인판 4월 18일자에 게재됐으며, 올해 9월호로 출판될 예정이다.

이번 연구는 부산대 나노에너지공학과 서지연 교수가 공동 교신저자, 정경호 석사과정생이 제1저자로 수행했으며, 국립경상대 김윤희 교수와 아주대 권오필 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 국립경상대 램프(LAMP) 포닥인 이경석 박사가 공동 제1저자, 부산대 나노에너지공학과 장준경 교수 연구팀과 스위스 취리히 응용과학대학(Zurich University of Applied Sciences)의 울프강 트레스(Wolfgang Tress) 교수 연구팀이 공동저자로 함께했다.

이번 연구는 산업통상자원부와 한국기술진흥원의 국제협력연구개발 프로그램 한-스위스 국제공동기술개발사업과 과학기술정보통신부와 교육부가 지원하는 한국연구재단의 기초과학연구 프로그램 및 램프사업을 통해 재정 지원을 받았다.