[충청뉴스 이성현 기자] 충남대학교와 한양대, 한국화학연구원 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 고효율 및 장기 안정성을 확보할 수 있는 초박막 고분자 계면 페시베이션(Passivation, 부동태화) 기술을 개발해 차세대 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 돌파구를 마련했다.
이번 연구 성과는 소재·에너지 분야의 세계적 학술지 ‘Small Methods’에 5월 19일 게재됐으며, 이번 연구는 충남대 응용화학공학과 송슬기, 이경진 교수와 한양대 김경학 교수, 한국화학연구원 전남중 박사가 교신저자로, 충남대 김희수, 노병일 석사과정생이 제1저자로 참여했다.
공동 연구팀은 이번 연구에서 고효율·저가의 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지(PSCs)의 상용화를 가로막는 계면 안정성 문제에 주목했다.
특히 정공전달층(HTL)과 페로브스카이트 층 사이의 계면에서 발생하는 이온 이동과 비방사 재결합은 물론, 대면적 균일성 부족을 해결하기 위해 화학기상증착법(CVD)을 이용한 균일한 초박막 파릴렌D(Parylene-D) 코팅 기술을 개발했다.
파릴렌D는 기존 파릴렌C에 비해 염소기(Cl)가 추가된 구조로 페로브스카이트 표면의 비공조된 납 이온(Pb²⁺)과 강력한 bidentate 킬레이트 결합을 형성해 계면 결함을 효과적으로 패시베이션하는데 이를 통해 광전자 특성 손상 없이 이온 이동을 억제하고, 비방사 재결합을 줄여 개방전압과 충진율을 향상시켰다.
연구팀의 처리된 페로브스카이트 태양전지는 23.75%의 효율을 달성했으며 1200시간이 넘어가는 가혹 조건에서도 초기 효율을 유지하거나 80% 이상을 보존하는 뛰어난 안정성을 보였다.
또 25cm² 크기의 모듈 제조에도 성공, 19.44% 모듈 효율과 20.59%의 활성면적 효율을 입증함으로써 대면적 제조 가능성도 확인했다.
기존에는 스핀코팅 기반의 불균일한 페시베이션 방식이 일반적이었으나 이번 연구는 CVD를 이용해 두께 수십 나노미터 이하의 균일한 고분자 층을 정밀 형성하였다는 점에서 높은 기술적 진보성을 보였다.
특히 고분자 분자의 구조적 특성을 제어해 계면과의 선택적 결합을 유도함으로써 기존 고분자 기반 페시베이션 기술의 한계를 극복했다.
이번 연구는 충남대의 계면 엔지니어링 기술, 한양대의 분자동역학 시뮬레이션 분석 기술, 한국화학연구원의 대면적 제조 기술이 유기적으로 결합된 학연 협력의 대표 사례로써 연구기관 간 전문성 융합을 통해 실질적인 상업화 가능성을 높였다.
송슬기 교수는 “이번 기술은 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 대량 생산 및 산업화에 핵심적인 기술 기반이 될 것으로 기대된다”며 “특히 높은 효율과 안정성을 동시에 갖춘 이 기술은 향후 친환경 건물 일체형 태양광(BIPV), 웨어러블 디바이스, IoT 전원소자 등 다양한 응용 분야로의 확장 가능성도 높다”고 밝혔다.
