한양대 최효성 교수, 새로운 페로브스카이트 결함제어 분자설계 가이드라인 제시

한양대학교 화학과 최효성 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상시키는 결함제어 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 최 교수 연구팀은 소면적 태양전지에서 25.63%의 전력변환효율(PCE)을 달성했으며, 이러한 성과는 상용화를 위한 대면적 모듈에서도 입증됐다.

기존 연구들은 고효율 페로브스카이트 태양전지 구현에 있어 여러 한계점이 있었다. 특히, 결정표면 및 결정립계에서 발생하는 아이오딘 결함은 비방사 재결합을 촉진하여 개방 회로 전압의 손실을 유발할 뿐만 아니라 결정 구조와 화학적 균질성을 손상시켜 태양전지의 효율과 안정성을 저해하는 주요 원인이었다. 따라서 이러한 결함을 효과적으로 줄이는 것이 페로브스카이트 태양전지의 성능을 높이는 데 중요한 과제였다.

이를 극복하기 위해 최효성 교수 연구팀은 트리플루오로아세테이트(TFA-)와 다이페닐프로필암모늄(DPA+)을 이용한 패시베이션 전략을 개발했다. TFA-는 아이오딘 결함을 비공유 수소 결합과 반데르발스 상호작용으로 패시베이션하고, DPA+는 추가적인 비공유 분산 및 소수성 상호작용을 제공한다. 이 전략을 통해 비공유 결합을 이용한 초분자 패시베이션을 실현했고, 페로브스카이트 격자의 우선 성장을 유도하여 국부적 화학 불균일성을 최소화했다.

최종적으로, 최 교수 연구팀은 DPA-TFA의 초분자 페시베이션을 통해 소면적 페로브스카이트 태양전지 (0.08cm2) 에서 25.63%의 전력 변환 효율을 얻었으며, 25cm2, 64cm2 대면적 모듈에서도 각각 22.47%, 20.88%의 전력 변환 효율을 달성했다. 고습 환경에서의 장기적인 안정성 또한 크게 개선되어 안정성 측면에서도 큰 진전을 이뤘다.

이번 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 높이는 전략을 마련했으며, 특히 대면적 모듈에서의 성과는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당겼다는 평가를 받고 있다.

최효성 교수는 “이번 연구는 비공유 상호작용의 중요성을 새롭게 조명한 사례”라며 “해당 기술을 통해 페로브스카이트 태양전지가 상용화 단계로 한 걸음 더 나아갈 수 있기를 기대한다”고 밝혔다.

과학기술정보통신부의 중견연구자지원사업, 나노및소재기술개발사업, 우수연구자교류지원사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구의 결과는 재료과학 분야 세계적 학술지인 「Joule」 6월 19일 자에 게재됐다.

해당 논문 「Supramolecular design principles in pseudohalides for high-performance perovskite solar mini modules」는 한양대 송호찬 박사과정생이 제1저자로 참여하고, 최효성 교수가 교신저자로 참여했다.