낮에는 태양전지, 밤에는 LED로…무결점 소재 개발
- 과량의 리간드 전략으로 광전변환·발광 효율 극대화 -
□ 하나의 소자로 두 가지 기능을 구현하는 무결점 소재가 개발돼 주목된다.
□ 한국연구재단(이사장 홍원화)은 성균관대학교 신성식 교수 연구팀이 울산과학기술원 석상일 교수, 한국화학연구원과 공동으로 과량의 리간드* 기반 화학용액증착(Chemical Bath Deposition, 이하 CBD)** 공정 개발을 통해 결함이 억제된 무결점 SnO2 전자수송층***을 개발, 고효율·고발광 페로브스카이트 태양전지 구현에 성공했다고 밝혔다.
* 리간드 : 배위 결합을 통해 중심 금속 이온과 결합하는 분자 또는 이온을 의미함.
** 화학용액 증착법 : 저온의 수용액 환경에서 금속 이온이 기판 표면에 화학적으로 반응하여 얇은 박막을 형성하는 방법.
*** SnO2 전자수송층 : 산화주석(SnO2)으로 구성된 전자전달층으로, 태양전지에서 광활성층에서 생성된 전자를 선택적으로 수집해 전극으로 전달하는 역할을 함.
□ 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있는 페로브스카이트는 뛰어난 광전변환 효율과 저렴한 제조 비용으로 각광받고 있지만, 고성능 태양전지 개발을 위해 사용되고 있는 SnO2 소재 내 결함으로 인해 효율과 장기적인 안정성이 떨어진다는 문제가 있다.
○ 기존의 CBD 공정은 Sn과 리간드의 강한 결합으로 인해 균일한 SnO2 박막을 얻기 어렵고, 공정 시간이 매우 길다는 단점이 있다.
□ 연구팀은 CBD 공정에서 과량의 리간드 전략을 도입, SnO2 전자수송층 내 결함을 획기적으로 줄여 표면재결합 속도를 가장 낮은 수치인 5.5 cm/s까지 낮추는 데 성공했다. 이 수치는 SnO2 박막의 결함이 상당이 억제되었음을 시사한다.
⃝ 과량의 리간드 전략은 SnO2 박막이 형성될 때 Sn 이온과 리간드의 결합을 제어해 Sn 이온의 완전 산화와 기판에 균일한 증착을 유도하는 전략이다. 이를 통해 불균일한 박막 형성의 억제가 가능하고, 결함이 적은 고품질의 SnO2 전자수송층을 형성할 수 있다.
⃝ 그 결과, 페로브스카이트 태양전지 하나의 소자에서 태양전지 효율 26.4%, LED 효율 24.8%라는 획기적인 성과를 달성했다.
⃝ 또한, 저온·용액 기반 공정 프로세스로 고가 장비 없이도 증착 효율을 크게 증가시켜 공정 시간을 획기적으로 단축했다.
□ 이번 연구성과는 하나의 소자에서 고성능 페로브스카이트 태양전지와 고성능 LED를 동시에 구동할 수 있는 기술을 개발했다는 데 의의가 있다. 더불어, 무결점 소재 개발을 통해 2년 연속으로 네이처에너지에 논문을 게재하는 쾌거를 이루었다.
⃝ 신성식 교수는 "공정 시간은 줄이면서도 산화물 소재의 고질적 결함을 잡아 고성능 태양전지와 LED를 동시에 구현할 수 있는 길을 열었다”며, "제조 비용을 낮추면서도 성능은 높이는 꿈의 광전소자 상용화를 현실로 만드는 디딤돌이 될 것”이라고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’표지 논문에 선정돼 2025년 6월 4일 온라인 게재되었다.
