에기硏, 자기조립단분자막 기반 정공수송물질로 셀 효율 높여

▲'Advanced Energy Materials’의 1월 표지논문.
▲'Advanced Energy Materials’의 1월 표지논문.

[이투뉴스] 에너지기술연구원(원장 김종남)이 16일 페로브스카이트 셀의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막 기반 정공수송물질을 개발했다.

자기조립단분자막은 주어진 기질의 표면에 자발적으로 입혀진 규칙적으로 잘 정렬된 단분자막이다. 정공수송물질은 페로브스카이트 셀에서 정공의 원활한 수송을 도와주고 생성된 전하가 재결합되는 현상을 억제해 소자의 성능향상을 도와준다.

기존 페로브스카이트 기반 탠덤 셀은 빛이 입사되는 상부층에 정공수송층이 배치된다. 이곳에서는 입사 빛 일부를 흡수하는 기생흡수가 발생해 효율이 떨어진다. 페로브스카이트와 실리콘에 기반한 이중접합 셀도 광흡수층 및 전하수송층의 균일한 코팅이 난제로 지적되고 있다.

에기연 태양광연구단 홍성준 박사 연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 전기화학적으로 매우 안정되고 염료 및 의약물질로 많이 이용되는 '페노티아진' 물질을 활용해 기판 표면 거칠기와 상관없이 단분자막을 형성할 수 있는 저렴한 정공수송물질을 개발했다.

연구팀은 페노티아진 물질을 원료로 간단한 3단계 유기합성을 통해 기판과 결합할 수 있는 정공수송물질을 합성했다. 이 정공수송물질 이용해 표면 거칠기가 매우 큰 FTO(Fluorine doped Tin-Oxide) 투명 전도성 기판에 간단한 스핀공정과 낮은 열처리만으로도 자기조립단분자막을 형성했다. 기판에 코팅된 정공수송물질은 기존 상용 고분자 기반의 정공수송물질인 PTAA(poly-triaryl amine)에 비해 가시광 영역에서 기생흡수가 거의 일어나지 않았다.

페노티아진 물질에 있는 황과 브롬 작용기를 도입해 정공수송물질과 페로브스카이트 광흡수층 사이에 불가피하게 발생하는 결함도 제어했다. 이를 통해 광흡수층과 우수한 에너지레벨을 형성해 정공수송 특성과 안정성을 크게 향상시키는 것을 확인했다.

연구팀은 페노티아진 물질 기반 정공수송물질을 적용해 22.4%(기존 PTAA 기반 18.95%) 이상 고효율을 달성했으며, 100시간 연속 태양광 셀 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.

홍성준 박사는 “이번 연구 결과는 고성능 페로브스카이트 태양광 셀 개발을 위한 정공수송물질의 분자설계 원리를 제공하고, 실리콘 셀의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 셀 개발에도 적용할 수 있을 것”이라고 말했다.

한편 에기연의 페로브스카이트 태양전지의 정공수송물질 개발 연구결과는 그 우수성을 인정받아 에너지 분야 국제학술지인 ‘Advanced Energy Materials’의 1월 표지논문에 게재됐다.

진경남 기자 jin07@e2news.com 

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