양극성고분자 도입으로 태양전지 효율 향상시킨다
양극성고분자 도입으로 태양전지 효율 향상시킨다
  • 함예솔
  • 승인 2023.10.29 19:50
  • 조회수 1129
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DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 KAIST 생명화학공학과 김범준 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 태양전지에 양극성고분자를 도입하여 성능과 안정성을 강화하는 전략을 제시했다고 27일(금)밝혔습니다.

(왼쪽부터) DGIST 에너지공학과 최종민 교수, 김수관 석박사통합과정생. 출처 : DGIST
(왼쪽부터) DGIST 에너지공학과 최종민 교수, 김수관 석박사통합과정생. 출처 : DGIST

유기 할라이드 페로브스카이트(이하 페로브스카이트)는 태양전지에 사용되는 재료 중 하나로, 태양빛을 전기로 변환하는 역할을 합니다. 페로브스카이트는 우수한 광전기적 특성, 저렴한 공정비용 등의 특징 갖고 있어 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있죠. 그러나, 결함으로 인한 성능 저하와 낮은 안정성으로 상용화에 어려움을 겪고 있습니다. 특히, 대기 중의 산소와 수분은 결함을 악화하여 성능 저하를 가속화시키므로, 고효율, 고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현을 위해서는 결함을 복원하는 과정이 필요한데요.

 

이에 최종민 교수 연구팀은 페로브스카이트 복원 결함을 위해 세계최초로 양극성고분자를 도입했습니다. 기존의 p-type, n-type 고분자는 페로브스카이트 결함은 복원하지만 반대전하의 이동을 방해하는 문제가 있었습니다. 그러나 본 연구팀의 양극성고분자는 페로브스카이트의 결함을 복원함과 동시에 모든 전하(전자, 정공)의 이동을 개선하여 기존의 단점을 해결했습니다.

양극성고분자의 양방향 이동성을 보여주는 도식. 양극성고분자의 구조 및 이중복원 공정과 통합된 페로브스카이트 태양전지의 성능. 출처 : DGIST
양극성고분자의 양방향 이동성을 보여주는 도식. 양극성고분자의 구조 및 이중복원 공정과 통합된 페로브스카이트 태양전지의 성능. 출처 : DGIST

또한, 기존의 결함 복원 과정으로는 여전히 상당한 결함이 존재함을 확인하고, 양극성 고분자를 정공전달층에 혼합하여 추가적인 복원을 실시하는 방법을 개발했습니다. 이로써 결함 복원이 강화되고 핀홀(작은 구멍) 억제 등의 이점을 얻을 수 있었습니다. 더불어 현재의 고효율 페로브스카이트 태양전지에서 발생하는 안전성 문제를 해결하기 위해 양극성 고분자가 잔여하는 이온의 확산을 억제하는 방법도 개발해 소자의 안정성을 극대화했는데요.

 

DGIST 에너지공학과 최종민 교수는 “본 연구를 통해 양극성고분자 패시베이션이 페로브스카이트의 양방향성 전하 이동을 극대화하여 획기적으로 성능을 향상시킬 수 있을 것이다”라며 “일반적인 대기조건 뿐만 아니라 고온고습 환경(85℃, 상대습도 85%)에서도 장시간 정상작동을 입증하여 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 예측한다.”고 말했습니다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 2023년 9월 1일 표지논문으로 게재됐습니다.

 

논문명 : The Impact of Multifunctional Ambipolar Polymer Integration on the Performance and Stability of Perovskite Solar Cells


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