한양대학교 화학과 최효성 교수팀이 국민대학교 임상규 · 김형민 교수팀과 공동 연구한 ‘차세대 태양전지 전자수송층 산화주석(SnO2) 나노입자의 자가-증강 비가수분해 합성’ 논문이 화학공학 분야 저명 국제학술지인 「Chemical Engineering Journal」(JCR engineering, chemical 분야 상위 2.7%, IF13.273)에 게재됐다.

산화주석은 높은 전자이동도, 낮은 합성온도, 우수한 광안정성으로 차세대 태양전지의 전자수송층 소재로 주목받고 있다. 합성된 산화주석 표면을 염소(Cl) 등으로 패시베이션(passivation)하면 전자수송층 표면ㆍ계면에서의 고유결함을 줄이는데 효과적이기 때문이다. 하지만 기존의 가수분해 합성법은 물 때문에 반응성 조절이 어렵고, 합성된 나노입자의 결정성 저하로 추가적인 어닐링 공정이 필요하다. 다른 대안인 벤질알콜 이용 비가수분해 합성법 역시 반응 부산물의 제거가 어렵고 패시베이션 효율이 떨어진다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하고자 'tert-뷰틸알콜을 이용한 새로운 비가수분해 산화주석 나노입자 합성법'을 제안했다. 이 반응의 부산물인 염화 tert-뷰틸은 tert-뷰틸알콜과 염소 이온으로 쉽게 전환되는데, 이는 반응의 원료와 Cl 패시베이션에 재사용된다. 이러한 자체적인 자가-순환 합성은 반응의 완결도 향상, 효과적인 반응부산물 제거, 패시베이션 효율 향상 등 기존 합성법의 문제점들을 동시에 해결할 수 있다.

그 결과 새 합성법으로 만들어진 산화주석 나노입자를 적용한 정구조 페로브스카이트 태양전지는 20.2%의 광전 효율을 기록했으며 70일 후에도 97%의 효율 유지도를 보였다. 또한 역구조 페로브스카이트 태양전지와 유기태양전지에 적용했을 때도 각각 17.0%와 14.8%의 광전 효율을 달성하는 등 다양한 유형의 차세대 태양전지에 적용 가능함이 확인됐다.