서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 재료공학부 이태우 교수팀이 페로브스카이트 나노입자의 전하 구속 효과 한계를 극복한 고효율의 페로브스카이트 나노입자 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

페로브스카이트는 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있으며, 실리콘을 대체할 수 있는 물질로 활발히 연구되고 있다. 실리콘보다 가벼운 무게와 더불어, 유연한 기판 위에서도 적용 가능하고, 가격이 저렴하다는 장점도 있다.

그 중에서 페로브스카이트 나노입자는 페로브스카이트를 수~수십nm 크기의 나노입자 형태로 합성한 물질이다. 페로브스카이트 나노입자는 차원의 감소(3D → 0D)로 기존 다결정 페로브스카이트보다 더 높은 광안정성을 가지며, 밴드갭 조절이 용이하고, 나노입자 잉크 형태로 존재해 페로브스카이트 태양전지 소자의 대면적화에 더욱 유리하다.

다만 페로브스카이트 나노입자는 입자 특유의 작은 사이즈 및 나노입자 표면에 존재하는 유기 리간드로 나타나는 전하 구속 효과(charge confinement effect)로 인해 페로브스카이트 나노입자에서의 전하 추출 및 나노입자 간의 전하 수송이 방해를 받고, 이는 페로브스카이트 나노입자 태양전지의 효율 감소의 주요 원인이다. 따라서 입자의 특성을 최대한 해치지 않고 전하 구속 효과를 효과적으로 줄일 수 있는 기술에 대한 필요성이 대두되고 있다.

이태우 교수팀은 이에 해결책을 제시하고 있다. 2015년 페로브스카이트의 결정 사이즈를 나노 수준으로 작게 해 발광 소자의 효율을 0.1% 수준에서 8.53%까지 향상시켜 ‘사이언스(Science)’지에 보고된 바 있으며, 이후 28.9%의 외부양자효율 및 3만시간 이상의 장수명을 가지는 페로브스카이트 발광 소자를 개발해 ‘네이쳐(Nature)’지에 게재되기도 했다.

또한 페로브스카이트를 다양한 분야에 접목시켜 연구를 확장 중이며, 페로브스카이트 나노입자 태양전지 개발을 활발히 진행하고 있다.

이 교수는 페로브스카이트 나노입자 태양전지 분야에서는 가장 먼저 포문을 열었다.

통상 양자점(Quantum Dot:QD) 태양전지라고 하는 분야에서 양자점이 지금까지 사용되고 있었으나 양자점과 비양자점 영역을 모두 포함하는 ‘나노 결정 입자’를 이용한 태양전지에 대해서 주목한 것이다. 이 교수는 2014년 페로브스카이트 나노입자 태양전지 관련 원천 특허를 출원했고, 에스엔디스플레이 주식회사(SN Display Co. Ltd.)에서 페로브스카이트 나노 입자 재료를 상업화하고 있다.

이태우 교수팀은 페로브스카이트 나노입자 태양전지 내 전하 구속 효과 극복을 위해 2-아이소프로판올(2-isopropanol; IPA)과 피리딘(pyridine)에 포름아미디늄 아이오다이드(Formamidinium iodide)를 녹인 용액으로 페로브스카이트 나노입자 층을 처리하는 방법을 제시했다.

이 과정에서 피리딘이 페로브스카이트 나노입자 표면과 긴 리간드들의 결합을 약화시켜 리간드가 표면으로부터 더 효과적으로 떨어질 수 있으며, 이를 통해 페로브스카이트 나노입자 간의 재결합(Re-assembling process; RP)이 발생해 더 큰 입자 크기를 가지게 돼 전하 구속 효과를 효과적으로 감소시킬 수 있다.

이는 페로브스카이트 나노입자 자체의 특성을 크게 해치지 않으면서 전하 구속 효과를 감소시켜, 19.30 mA cm⁻²의 단락 전류(short circuit current) 및 16.46%의 높은 전력변환효율(power conversion efficiency)을 가지는 태양전지 소자를 구현했다. 특히 단락 전류는 현재 보고된 페로브스카이트 나노입자 태양전지 중에서 최고 수치다. 이를 통해 이태우 교수 연구팀은 페로브스카이트 나노입자 태양전지에서 구현이 어려웠던 전하 구속 효과를 감소시키는 방법에 대한 새로운 패러다임을 제시했다.

현재 재생 에너지 관련 시장 중 태양 에너지의 비율이 가장 높으며, 태양전지 연구에 대한 중요성이 나날이 커지고 있는 측면에서 이태우 교수팀의 결과는 태양전지 연구에 있어서 획기적인 진전을 거둔 것으로 보여진다.

이태우 교수는 “페로브스카이트 나노입자는 발광 소자뿐만 아니라 태양전지 등의 다양한 어플리케이션으로 활용될 수 있으며, 페로브스카이트 나노입자 태양전지의 문제점으로 주로 지적되고 있는 전하 구속 효과를 효과적으로 극복할 수 있는 방안을 제시했다”며 “해당 연구는 페로브스카이트 태양전지 연구에 있어서 새로운 관점을 제시하며 고효율, 대면적, 고안정성의 페로브스카이트 태양전지의 개발을 크게 앞당기는 데에 기여할 것으로 기대된다”고 말했다.