경북대 이상욱 교수팀, 태양전지‧광전소자용 ‘고품질 박막 제작기술 개발’

차세대 태양전지와 광전소자에 사용되는 유‧무기 하이브리드 소재의 고품질 박막을 만드는 새로운 용액 공정 기술을 개발한 경북대 이상욱 교수, 고려대 김동회 교수, 경북대 윤영훈 박사과정생(좌측부터)이다. [사진=경북대학교 제공]

경북대학교는 경북대 연구팀이 차세대 태양전지와 광전소자에 사용되는 유‧무기 하이브리드 소재의 고품질 박막을 만드는 새로운 용액 공정 기술을 개발했다고 7일 밝혔다.

이는 경북대 신소재공학부 이상욱 교수팀과 고려대 김동회 교수와 공동연구를 통해 새로운 용매를 이용해 고품질의 유‧무기 하이브리드 페로브스카이트 박막을 제작하는 기술을 개발하고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 우수한 에너지 변환 효율과 안정성을 보고했다.

이번 연구의 교신저자는 경북대 이상욱 교수, 고려대 김동회 교수, 제1 저자는 경북대 윤영훈 박사과정생이다. 한국연구재단의 소재융합혁신기술개발사업과 중견연구자지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 재료 공학 분야 저명 학술지인 ‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 9월 17일 자에 게재됐다.

이 교수팀은 “페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정구조를 지닌 유‧무기 하이브리드 할로겐화물을 광흡수 소재로 이용하는 태양전지다”라며, “광전변환 효율이 우수하면서 기존 상용 태양전지 대비 생산 비용이 저렴하고 공정이 간단해 차세대 태양전지로 주목받고 있다”라고 전했다.

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페로브스카이트 물질은 낮은 형성에너지를 갖기 때문에 불균일한 핵 생성을 유발하고, 그로 인해 저품질의 박막이 형성될 수 있다. 그래서 일반적으로는 이를 막기 위해 페로브스카이트 물질과 강하게 상호작용할 수 있는 높은 극성을 갖는 용매를 전구체 용액에 사용해 페로브스카이트 박막 형성 전 중간상을 만든다. 만들어진 중간상은 열처리를 통해 천천히 페로브스카이트로 상전이 되면서 결과적으로 고른 페로브스카이트 박막을 만들어 낸다.

이런 원리로 지금까지 다양한 종류의 높은 극성 용매를 이용해 페로브스카이트 박막을 형성하는 연구가 주로 이뤄졌다. 하지만 이 방법은 상전이시 발생하는 큰 부피 변화와 물질의 원거리 확산으로 원치 않는 결함을 생성할 가능성이 있다.

이에 이상욱 교수팀은 이러한 공정에서 벗어나, 기존에 사용되는 용매들보다 낮은 극성을 갖는 트리메틸 인산(trimethyl phosphate)이라는 용매를 사용해 중간상 형성 없이 고품질의 페로브스카이트 박막을 만드는 방법을 개발했다.

즉, 중간상(intermediate phase)을 거치는 단계 없이, 페로브스카이트 상(perovskite phase)의 작은 입자를 성장시켜 크고 고른 페로브스카이트 박막을 만드는 방법이다.

트리메틸 인산은 페로브스카이트 물질과 약하게 상호작용하면서도 용질을 충분히 용해하고 중간상을 만들지 않아 상전이시 동반될 수 있는 결함의 형성을 낮출 수 있다. 연구팀은 이를 이용해 기존에 일반적으로 사용되는 용매를 이용한 경우보다 절반 정도로 감소한 낮은 결함 농도를 갖는 박막을 만드는 데 성공했다.

이상욱 교수는 “기존에 많이 사용되는 방법과 달리 낮은 극성의 용매를 이용해 우수한 품질의 페로브스카이트 박막을 만드는 방법을 개발했다”라며, “앞으로 고효율의 페로브스카이트 태양전지용 박막 제작공정 기술개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”라고 밝혔다.