역구조 태양전지 효율 높인 ‘매몰 계면’ 해법

UNIST 에너지화학공학과 석상일 특훈교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 소자 구조를 바꿀 때 효율이 급격히 낮아지는 원인을 규명했다. 연구팀은 역구조 전지의 바닥면 접촉부에 생기는 미세한 빈틈을 제어해 최고 26.3%의 광전변환 효율을 달성했다고 5일 밝혔다. 정구조 전지의 최고 수준에 육박하는 성능으로, 고효율 탠덤 태양전지의 상부 셀 설계에 활용할 수 있는 기반을 마련했다.

성능 저하는 정구조에서 결정 성장을 돕는 첨가물인 염화메틸암모늄(MACl)이 역구조에서는 다르게 작용하면서 발생했다. 열처리 과정에서 MACl이 뒤늦게 빠져나가 정공전달층과 맞닿은 매몰 계면에 빈틈을 만들었고, 이 공간이 전하를 잃게 하는 결함으로 이어졌다. 같은 고효율 원료 배합을 사용해도 역구조의 효율이 기존 정구조 대비 약 3분의 2 수준으로 떨어졌던 이유가 소자 하부의 계면 형성 과정에 있었던 셈이다.

연구팀은 MACl 투입 비율을 기존 30몰%에서 10몰%로 낮추고 염화납 2몰%를 새로 넣는 방식으로 원료 조성을 조정했다. 염화납이 염소를 강하게 붙잡아 결정이 만들어지는 시점과 위치를 바닥면 전반에서 고르게 조절하도록 한 것이다. 결정 성장과 염소 고정 효과를 확인하는 데에는 포항가속기연구소의 첨단 분석 장비가 활용됐으며, 변경된 배합을 적용한 역구조 소자는 최고 효율 26.3%를 기록했다.

페로브스카이트는 용액을 바르는 공정으로 얇게 제조할 수 있는 차세대 태양전지 소재다. 이 가운데 역구조는 빛을 아래쪽 실리콘 전지로 손실 없이 통과시키는 방식이어서 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 태양전지의 상부 셀에 필요한 핵심 기술로 꼽힌다. 이번 연구는 정구조용 배합이 역구조에서 성능을 떨어뜨리는 원리를 밝히고 구조별 원료 설계 방향을 제시했으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘줄(Joule)’에 게재됐다.