한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 고효율 탠덤 태양전지 구현에 필요한 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안전성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 자기조립단분자막 기반의 정공수송물질 개발에 성공했다.

기존의 페로브스카이트 구조 기반의 탠덤 태양전지는 빛이 입사되는 상부 층에 정공수송층이 배치되는데 이곳에서 입사 빛의 일부를 흡수하는 기생흡수가 발생해 효율이 떨어진다.

이 문제를 해결한 역구조의 페로브스카이트 태양전지는 낮은 기생흡수로 페로브스카이트 기반 태양전지에서 우수한 호환성을 보이지만 기존 구조의 페로브스카이트 태양전지에 비해 효율이 낮다.

이중 가장 활발히 연구되는 페로브스카이트/실리콘 기반 이중접합 태양전지의 경우 하부 실리콘 태양전지는 효율향상을 위해 표면에 피라미드 구조의 빛 산란층이 필수적이다.

하지만 이로 인해 상부의 역구조 페로브스카이트 태양전지 광흡수층 및 전하수송층의 균일한 코팅이 가장 큰 난제이며, 효율저하의 원인으로 지목되고 있다.

연구를 주도한 태양광연구단 홍성준 박사 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 전기화학적으로 매우 안정하며, 염료 및 의학물질로 많이 이용되는 페노티아진 물질을 활용해 기판의 표면 거칠기에 무관하게 단분자막을 형성할 수 있는 저가의 정공수송물질을 개발했다.

연구진은 페노티아진 물질 기반의 정공수송물질을 적용해 22.4% 이상의 고효율을 달성했으며, 100시간 이상 연속적으로 태양전지 효율을 측정한 결과 안정적으로 유지하는 것을 확인했다.

특히, 자기조립단분자막 형성은 초박막의 정공수송층을 기판의 특성과 무관하게 형성할 수 있어 별도의 도핑공정이 필요하지 않아 다중접합 태양전지 중 가장 활발히 연구되고 있는 페로브스카이트/실리콘 이중접합 태양전지 제조에 적용이 가능할 것으로 기대하고 있다.

이번 연구 책임자인 홍성준 박사는 “이번 연구결과는 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발을 위한 정공수송물질의 분자 설계 원리를 제공할 뿐만 아니라 개발한 물질을 적용해 실리콘 태양전지의 이론적 한계효율을 극복할 수 있는 고효율 다중접합 태양전지 개발에도 적용할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다.