인돌 계면 설계로 대면적 태양전지 효율 높였다

광주과학기술원(GIST) 연구팀이 페로브스카이트 표면의 분자 배열을 제어해 대면적 태양전지의 효율과 안정성을 함께 높이는 계면 설계 원리를 개발했다. 인돌계 유기 암모늄 분자를 일정한 방향으로 배치해 전하 손실을 억제한 기술로, 소면적 소자에서 26.94%, 25㎠ 대면적 모듈에서 23.21%의 인증 광전 변환효율을 달성했다.

연구팀은 인돌 분자 내부의 비대칭적인 전하 분포를 활용해 분자들이 서로 마주 보는 ‘면대면 배열’을 이루도록 유도했다. 이 배열은 전하 이동을 방해하는 계면 손실을 줄이고 페로브스카이트와 전자 수송층인 C60의 접촉면을 균일하게 형성했다. 고해상도 투과전자현미경과 회절 분석에서도 인돌 분자의 규칙적인 층상 계면 구조가 확인됐다.

개발된 소자는 내구성 시험에서도 성능을 유지했다. 섭씨 85도의 고온 환경에 1000시간 노출된 뒤 초기 효율의 93% 이상을 보존했고, 연속 광조사 시험에서는 1800시간이 지난 뒤에도 초기 효율의 85%를 나타냈다. 빛을 전기로 바꾸는 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지는 대면적화 과정에서 발생하는 성능 저하를 줄이는 일이 상용화의 핵심 과제로 꼽힌다.

연구에는 이광희 전략연구사업단장, 강홍규 차세대에너지연구소 부소장, 홍석원 화학과 교수가 공동 교신저자로, 기태윤 박사가 제1저자로 참여했다. IBS·KAIST·KENTECH·경상국립대와 일본 RIKEN·도쿄대, 스웨덴 린셰핑대 연구진도 협력했다. 성과는 7월 30일 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈’ 온라인판에 실렸으며, 연속 제조공정과 모듈화 기술을 비롯해 건물 일체형 태양광, 경량·유연 태양전지, 모바일 전원 분야에 활용될 가능성이 제시됐다.