에너지시스템학과

우리 학교 박희준 교수 연구팀이 차세대 태양전지의 안정성과 효율성을 극대화할 수 있는 새로운 방법을 개발했다.

박희준 교수(전자공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진) 연구팀은 페로브스카이트 태양전지에 쓰이는 정공 수송층의 성능을 높일 수 있는 새로운 방법을 개발해 이를 국제 학술지 <네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)> 10월31일자에 게재했다. 논문의 제목은 ‘태양빛 하에서 페로브스카이트 태양전지 유기 정공 수송층의 전이쌍극자 제어(Management of transition dipoles in organic hole-transporting materials under solar irradiation for perovskite solar cells)'다.

박희준 교수가 교신저자로 참여한 이 논문에는 아주대 대학원 석사과정에 재학 중인 옥송아 학생이 제1저자로, 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 이대운 학생이 공동저자로 함께 했다. 공주대학교 박상혁 교수와 성균관대학교 안태규·송영재 교수, 건국대학교 김봉기 교수도 연구에 참여했다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트(ABX3)를 광활성층으로 사용하는 태양전지를 말한다. 페로브스카이트 태양전지는 에너지 전환효율이 매우 높은데다 제작비용이 다른 태양전지에 비해 훨씬 저렴하여 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 성능을 높이기 위해 정공 수송층에 주목했다. 정공 수송층은 태양전지의 광활성층에서 생성된 정공 양전하를 가진 가상 입자로, p형 반도체에서 전류를 운반한다.

지금까지의 연구에서는 정공 수송층의 성능을 높이기 위해 에너지 준위(energy level) 제어나 정공 수송 능력 향상에만 초점이 맞춰져 있었다. 하지만 박희준 교수 연구팀은 유기반도체 기반 정공 수송층의 들뜬상태에서의 특성에 주목했다.

태양빛 아래에서 태양전지의 전공 수송층에 지속적으로 빛이 들어오기 때문에 전공 수송층을 구성하는 유기반도체 물질이 높은 에너지 준위(energy level)를 가지는 들뜬상태로 존재할 확률이 증가하며, 이러한 들뜬상태에서의 특성이 태양전지 동작에 중요한 역할을 할 수 있다는 점을 새롭게 규명한 것. 

연구팀은 전공 수송층을 구성하는 유기반도체의 들뜬상태에서의 쌍극자모멘트(dipole moment)를 증가시키고 이를 더 오래 유지할 수 있도록 제어함으로써, 광활성층에서 생성된 정공이 더욱 효과적으로 전극에 전달됨을 밝혀냈다. 그 결과 태양전지의 효율이 높아지고, 성능 저하의 원인이 되었던 자외선을 정공 수송층이 흡수해내 안정성 또한 높아짐을 확인했다.

박희준 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지뿐 아니라 유기반도체 정공 수송층 적용이 가능한 여러 태양전지 소자에도 적용할 수 있는 기술”이라며 “고성능 정공 수송층 개발을 위한 또 하나의 새로운 방법을 제시한 것으로, 차세대 태양전지의 고효율화에 한 발짝 더 다가섰다”라고 말했다.

이 연구는 산업통상자원부·한국산업기술평가관리원 전자정보디바이스산업원천기술개발사업 및 산업통상자원부·한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업의 지원으로 수행되었다.