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UNIST 김진영 교수팀, 역구조 페로브스카이트 태양전지 정공수송층 신소재 개발
수명은 약 3배, 효율은 10% 이상 향상
 
서울시민신문
▲ 정공 수송층으로 PEDOT PSS 또는 CPE-K 공액 고분자 전해질이 도입된 반전된 구조의 페로브스카이트 태양전지의 소자 구조. (사진제공=UNIST)     © 서울시민신문
국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지 상용화에 한걸음 더 나아갔다. 기존 역구조 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층 소재를 새롭게 개발해 수명은 약 3배, 효율은 10% 이상 향상시킨 것이다.

페로브스카이트(perovskite)란 부도체·반도체·도체 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 금속 화합물이다.

정공수송층(hole transport layer)은 태양전지에서 흡수된 태양광으로 만든 정공(전자가 빠져나간 빈구멍)을 투명전극으로 옮겨주는 층이다.

UNIST 김진영 교수(교신저자)와 한양대학교 최효성 교수(제1저자)가 주도하고 미국 캘리포니아주립대학교 산타바바라 분교와 공동으로 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 BK플러스사업 으로 수행되었고 네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인 판 6월 17일자(논문명 : Conjugated polyelectrolyte hole transport layer for inverted-type perovskite solar cells)에 게재되었다.

페로브스카이트를 광흡수층으로 한 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지 보다 제작단가가 획기적으로 낮고 효율도 비슷한 수준으로 유지할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 전지 내에서 전자 전달체와 전공 수송층의 위치를 맞바꾼 역구조 페로브스카이트 태양전지는 고효율의 플렉서블한 제작도 가능하다.

역구조 페로브스카이트 태양전지란 투명전극 위에 정공수송층이 위치하도록 기존 전자․ 정공 수송층을 바꾼 페로브스카이트 태양전지이다. 전자와 정공의 수송 속도를 맞추기 위해 첨가했던 고온처리 금속 화합물이 불필요해졌기 때문에 고효율로 휘고 접힐 수 있도록 제작 가능하다.

하지만 기존 역구조 페로브스카이트 태양전지에서 정공수송층으로 널리 쓰이는 소재(PEDOT:PSS)는 강산성으로 빛을 흡수하는 면(광흡수층)을 부식시켜 소자 수명을 단축시켰다.

연구팀은 새로운 정공수송층 소재로 중성의 ‘CPE-K’ 물질을 개발하여 광흡수층의 부식을 억제함으로써 소자의 수명을 약 3배 늘렸다.

연구진이 개발한 CPE-K는 전지를 제작했을 때 균일한 결정을 형성시킬 수 있어, 정공 수송 속도를 기존 대비 60배 빠르게 하고 전지의 효율도 10% 이상 향상시켰다.

또한 CPE-K는 저온 용액 공정이 가능하여 종이에 인쇄하듯 소자를 대량 생산할 수 있어 플렉서블 역구조 페로브스카이트 태양전지 상용화를 크게 앞당길 것으로 보인다.

저온 용액 공정은 200℃ 이하에서 용액을 스프레이 혹은 잉크젯프린팅 방법 등으로 박막을 형성하는 공정이다.

김진영 교수는 “이번 연구는 모든 박막 광전자소자에 적용 가능한 원천기술로 차세대 광전자소자 개발에서 선도국과의 격차를 줄일 수 있을 것”이라고 밝혔다. 최효성 교수는 “페로브스카이트 태양전지 소자 제작 분야에서 가장 앞서나가고 있는 우리나라에서 소재 개발 분야에도 중점적인 연구투자가 이루어진다면 관련 분야에서 독보적인 원천기술을 확보할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
/ 서울시민신문 인터넷부 엄재성 기자 news@seoulnewspaper.kr

기사입력: 2015/07/13 [13:42]  최종편집: ⓒ 서울시민신문
 
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