성균관대 전 일 교수 연구팀은 부산대 도정윤 교수 연구팀과 공동연구를 통해 액체형 고분자를 합성해 페로브스카이트 태양전지의 첨가제로 적용, 높은 광전효율뿐만 아니라 단락 전류 밀도(JSC)와 필 팩터(FF)가 대폭 증가했음을 밝혀냈다고 1일 밝혔다.

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조다. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있다.

지금까지 페로브스카이트 태양전지의 고성능화를 위해 다양한 고분자 재료가 개발돼 왔다. 일반적인 고분자 첨가제는 극성 용매에 불용성을 가지고 있어, 안티 솔벤트(anti-solvent)에 용해시키는 등의 제한적인 방법을 사용해 왔다. 극성용매에 용해가 가능한 친수성 고분자 재료들의 경우, 일반적으로 유리전이 온도(Tg)가 상온이상으로 80~100도씨 사이에 대부분 형성되어 있어 어닐링(annealing) 프로세스에서 고분자의 변형이 일어나 페로브스카이트 층 내 결정화와 같은 다양한 문제를 야기할 수 있다.

전 교수 연구팀은 이런 한계를 극복하기 위해 액체형의 디티오카보네이트계 고분자를 리빙(living) 양이온 개환중합을 통해 합성했다. 합성된 액체형의 디티오카보네이트계 고분자는 페로브스카이트 전구체에 다른 용매없이 첨가할 수 있어 정확한 첨가량을 확인할 수 있으며, 기존의 페로브스카이트 필름보다 안정적으로 제작할 수 있다. 그 결과, 범용성 고분자 첨가 방법의 한계를 극복함과 동시에 페로브스카이트 결정 크기 및 결정질 향상을 통해 소자의 효율 또한 증대시켰다.

이에 연구진은 극성·비극성 용매에 대한 용해성과 무관한 액체형 고분자를 페로브스카이트 흡수층에 단독으로 직접 첨가해 페로브스카이트 태양전지 고성능화를 실현했다.

연구 결과는 고분자 첨가제를 사용한 태양전지의 중 가장 높은 효율과 파라미터 결과를 실현했고, 한국에너지기술연구원(KIER)에서 공인인증을 받았다.

전 교수는 "액체형 디티오카보네이트계 고분자는 황을 포함하는 다양한 고분자 합성 및 소자 적용이 가능하고, 페로브스카이트의 결정 성장과 페시베이션 효과를 극대화하여 페로브스카이트 태양전지의 고성능화에 관한 새로운 재료 합성의 시발점이 될 것" 이라며 "향후 다양한 페로브스카이트 소재 기반 차세대 광전변환소자와 디스플레이 분야에서의 적용이 가능할 것으로 보여 관련 기술 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다"고 설명했다.

이번 연구성과는 세계적 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF: 29.698)에 게재됐다.