진성호 부산대 교수와 노용영 동국대 교수, 송명관 재료연구소 연구원으로 구성된 공동연구팀(이하 진 교수팀)이 태양전지 광전환 효율과 수명을 높일 수 있는 새로운 계면제어 물질 `피오타즈(PO-TAZ)`를 개발했다.
`계면제어 물질`은 태양전지 내 광활성층과 전극 사이에서 전자의 이동을 제어하는 물질을 말한다.
페로브스카이트 태양전지는 태양빛을 이용해 자유전자(-)와 홀(+)을 만들고, 이 전자와 홀이 각각 전자 전달체와 홀 전도체를 통해 각 전극으로 이동하면서 전기를 일으킨다. 하지만 전지 내부에서 전자와 홀 간 이동속도 차이(히스테리시스) 때문에 전지 효율이 떨어지는 단점을 안고 있다.
진 교수팀은 150℃ 이하 저온공정에서 산화아연(ZnO) 전자 전달 층 위에 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드를 결합해 새로운 계면제어 물질인 `피오타즈`를 만들었고, 이를 대기 중에서 박막코팅하는 방법으로 페로브스카이트 효율 저하 문제를 해결했다.
피오타즈를 적용해 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과, 히스테리시스가 발생하지 않았고, 이에 따라 광전환 효율은 13.6%에서 16.23%로 향상됐다. 피오타즈가 전지 내 광활성층과 산화아연층 사이에서 수분과 산소를 차단해 소자 수명 또한 40일이 지나도 초기 대비 85% 이상을 유지했다.
유기태양전지에 적용했을 때도 광전환 효율은 8.55%에서 10.04%로 높아졌다.
진성호 교수는 “저렴한 비용에 간단한 공정으로 히스테리시스가 없는 장수명 페로브스카이트 및 유기태양전지를 만들 수 있는 기술”이라며 “향후 차세대 태양전지 및 유기발광다이오드, 유기박막트랜지스터 등 다양한 유기전자 소자의 특성 향상과 수명 향상에 기여할 것”이라 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단 기초연구사업(개인연구) 지원을 받았다. 연구 성과는 에너지·환경 분야 국제 학술지 `에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스` 5월 30일자에 실렸다.
부산=임동식기자 dslim@etnews.com
