아주대 연구팀, 신개념 페로브스카이트 태양전지 요소기술 개발

아주대 전자공학과 박희준 교수[사진=아주대학교 제공]

차세대 태양전지의 안정성과 효율성을 극대화할 수 있는 새로운 방법이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

1일 아주대학교는 박희준 교수(전자공학과·대학원 에너지시스템학과) 연구팀이 페로브스카이트 태양전지에 쓰이는 정공 수송층의 성능을 높일 수 있는 새로운 방법을 개발했다고 밝혔다.

관련 내용은 ‘태양빛 하에서 페로브스카이트 태양전지 유기 정공 수송층의 전이쌍극자 제어(Management of transition dipoles in organic hole-transporting materials under solar irradiation for perovskite solar cells)’라는 제목으로 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 10월 31일자에 게재됐다.

박희준 교수가 교신저자로 참여한 이 논문에는 아주대 대학원 석사과정에 재학 중인 옥송아 학생이 제1저자로, 김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)와 이대운 학생이 공동저자로 함께 했다. 공주대학교 박상혁 교수와 성균관대학교 안태규·송영재 교수, 건국대학교 김봉기 교수도 연구에 참여했다.

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연구팀은 페로브스카이트 태양전지 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트(ABX3)를 광활성층으로 사용하는 태양전지를 말한다. 페로브스카이트 태양전지는 에너지 전환효율이 매우 높은데다 제작비용이 다른 태양전지에 비해 훨씬 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

지금까지의 연구에서는 정공 수송층의 성능을 높이기 위해 에너지 준위(energy level) 제어나 정공 수송 능력 향상에만 초점이 맞춰져 있었다. 하지만 박희준 교수 연구팀은 유기반도체 기반 정공 수송층의 들뜬상태에서의 특성에 주목했다.

태양빛 아래에서 태양전지의 전공 수송층에 지속적으로 빛이 들어오기 때문에 전공 수송층을 구성하는 유기반도체 물질이 높은 에너지 준위(energy level)를 가지는 들뜬 상태로 존재할 확률이 증가하며, 이러한 들뜬 상태에서의 특성이 태양전지 동작에 중요한 역할을 할 수 있다는 점을 새롭게 규명한 것이다.

연구팀은 전공 수송층을 구성하는 유기반도체의 들뜬 상태에서의 쌍극자모멘트(dipole moment) 분자의 극성을 나타내는 값으로서, 분자 내 양전하와 음전하의 중심이 일치하지 않는 경우에 그 분자는 쌍극자가 있다고 하고, 그 크기를 쌍극자 사이의 세기와 거리를 곱한 벡터양인 쌍극자모멘트로 나타낸다.

박희준 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지뿐 아니라 유기반도체 정공 수송층 적용이 가능한 여러 태양전지 소자에도 적용할 수 있는 기술”이라며 “고성능 정공 수송층 개발을 위한 또 하나의 새로운 방법을 제시한 것으로, 차세대 태양전지의 고효율화에 한 발짝 더 다가섰다”라고 말했다.