□ GIST(지스트, 총장 문승현) 화학과 홍석원 교수와 신소재공학부 이광희 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받는 페로브스카이트 태양전지*의 취약한 수명을 높인 신규 정공 수송층 물질을 개발했다고 밝혔다. 

* 페로브스카이트 태양전지: 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지  

□ 페로브스카이트 태양전지는 20%가 넘는 높은 에너지 전환효율로 각광받고 있다. 하지만 수분과 산소에 취약한 페로브스카이트 물질의 특성으로 인해 높은 소자 성능이 지속적으로 유지되지 못한다는 단점이 큰 문제점으로 지적되고 있다.

∘ 최근 페로브스카이트 태양전지의 수명을 연장시키기 위해 태양전지의 전극과 페로브스카이트 활성층 사이에 새로운 정공 수송층 물질을 도입해 페로브스카이트 층을 외부로부터 보호하여 소자의 안정성을 높이는 시도들이 보고되고 있다. 그러나 이러한 정공 수송층 물질은 일반적으로 낮은 전하이동도를 지니고 있어 태양전지의 에너지 전환효율을 저하시킨다는데 문제가 있다. 전하이동도를 높이기 위한 도핑첨가물을 넣어주는 방법이 있으나 이 경우 도핑첨가물로 인해 소자의 수명이 크게 떨어지게 된다.

□ 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 수명 연장을 위해 도핑첨가물이 필요하지 않고(dopant-free), 소수성(hydrophobicity)을 지닌 신규 반도체 물질을 개발하였다. 페로브스카이트 층에 얇고 결함(defect)이 없이 덮을 수 있는 정공 수송층으로 도입하여 높은 태양전지 에너지 전환효율(16%)을 보이면서도 기존에 정공 수송층 물질로 널리 사용되는 PEDOT:PSS*보다 수명을 5배 이상(초기 소자 효율 대비 80% 이상 기준) 높였다.

* PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate): 유기전자재료로 널리 사용되는 대표적인 공액고분자 물질.

∘ 또한 페로브스카이트 태양전지의 에너지 전환효율에 직접적인 영향을 주는 요인으로 전자의 이동을 막고 정공만 선택적으로 이동시키는 점이 중요하다. 이것은 정공 수송층의 필수적인 역할로서 직접적으로 비교 가능한 새로운 반도체성 물질이 필요하다. 연구팀은 보론* 화합물이 포함된 신규 고분자에 전자 주게(electron donating group)와 전자 받게(electron withdrawing group)의 치환체를 도입하여 에너지 준위(energy level) 중 피점궤도(the highest occupied molecular orbital)**와 공궤도(the lowest unoccupied molecular orbital)***를 선택적으로 조절하였다. 이러한 특성을 이용하여 전자의 이동을 막고 정공만 선택적으로 이동시켜 에너지 전환효율을 높이고 소자 효율에 영향을 주는 주요원인을 밝힐 수 있었다.

* 보론: 주기율표에서 원자번호가 5번인 원소

** 피점궤도(the highest occupied molecular orbital): 전자가 결합에 참여할 수 있는 영역에서 가장 에너지가 높은 영역에 있는 분자궤도함수

*** 공궤도(the lowest unoccupied molecular orbital): 전자가 비결합 영역에서 가장 에너지가 낮은 영역에 있는 분자궤도함수

□ 홍석원 교수와 이광희 교수는 “이번 연구성과는 전자적 특성이 다른 치환체를 간단하게 도입할 수 있는 보론 화합물이 포함된 신규 고분자를 개발하여 정공 수송층으로 사용하였고, 이를 통해 페로브스카이트 태양전지의 에너지 전환효율에 직접 영향을 주는 원인 규명 및 소자의 취약한 수명을 연장시킬 수 있었다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.

□ 본 연구는 한국연구재단의 글로벌연구실 사업과 GIST GRI 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 나노 및 에너지소재 분야 최상위급 과학학술지인 에이씨에스 어플라이드 머티리얼스 엔 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces, IF: 8.097)지에 최근 게재되었다. <끝>