페로브스카이트(Perovskite)는 부도체·반도체·도체 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 금속 화합물을 가리킨다. 페로브스카이트를 광흡수층으로 한 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지 보다 제작단가가 낮고 효율도 비슷해 차세대 태양전지로 각광받고 있다.
연구진은 기존 역구조 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층 소재를 새롭게 개발해 태양전지의 효율을 높였다. 역구조 페로브스카이트 태양전지는 투명전극 위에 정공수송층이 위치하도록 기존 전자·정공수송층을 바꾼 페로브스카이트 태양전지다. 정공수송층(hole transport layer)은 태양전지에서 흡수된 태양광으로 만든 정공을 투명전극으로 옮겨주는 층을 말한다. 정공은 전자가 빠져나간 빈구멍이다.
기존 역구조 페로브스카이트 태양전지에서 정공수송층으로 널리 쓰이는 소재(PEDOT: PSS)는 강산성으로 빛을 흡수하는 면(광흡수층)을 부식시켜 소자 수명을 단축시켰다.
연구진은 새로운 소재로 중성의 ‘CPE-K’ 물질을 개발해 광흡수층의 부식을 억제함으로써 소자의 수명을 약 3배 늘렸다. CPE-K는 전지를 제작했을 때 균일한 결정을 형성시킬 수 있어 정공수송 속도를 기존대비 60배 빠르게 하고 전지의 효율도 10% 이상 향상시켰다.
또한 CPE-K는 저온용액공정이 가능해 종이에 인쇄하듯 소자를 대량 생산할 수 있어 플렉서블 역구조 페로브스카이트 태양전지 상용화를 크게 앞당길 것으로 보인다.
이번 연구는 김진영 UNIST 교수와 최효성 한양대 교수가 각각 교신저자와 제1저자로 참여했으며 미국 캘리포니아주립대학교 산타바바라 분교와 공동으로 수행했다. 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업 및 BK플러스사업의 도움을 받았다.
해당 연구는 네이쳐 커뮤니케이션(Nature Communications)지 온라인판 6월17일자에 게재됐다. 논문명은 ‘Conjugated polyelectrolyte hole transport layer for inverted-type perovskite solar cells’다.