▲ 노준홍 교수(좌측, 교신저자), 정민주 박사과정(우측, 제1저자)
고려대학교 공과대학(학장 이해근) 건축사회환경공학부 노준홍 교수 연구팀이 적층된 할로겐화물 페로브스카이트층의 발광 능력 향상(Boosting Radiation of Stacked Halide Layer)을 통해, 25% 이상의 효율을 보이는 고성능의 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 데 성공했다.
노 교수 연구팀은 전하수송층이 적층되어 있는 페로브스카이트층에 대한 광발광 양자 효율 분석의 중요성과 광전변환효율과의 상관관계를 입증했으며, 향후 고효율 페로브스카이트 태양전지 제작을 위한 방향성을 제시했다.
이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지 광전변환효율과 광발광 양자 효율(photoluminescence quantum efficiency)과의 명확한 상관관계를 제시함과 동시에 하부 전하수송층과 페로브스카이트층 간의 계면 제어가 광발광 양자효율 상승에 핵심적인 역할을 함을 밝혔다. 나아가 연구팀은 계면 제어 기술과 페로브스카이트 박막 내부 결함 제어 기술을 결합하여 광발광 양자 효율을 극대화했으며, 이를 25% 이상의 효율을 보이는 고성능 페로브스카이트 태양전지 소자로 구현할 수 있었다.
페로브스카이트 태양전지 이론상 한계 효율에 근접하기 위해선 소자 내 결함으로부터 발생하는 비방사성 재결합을 최소화하는 것뿐만 아니라, 억제 기구에 대한 해석이 필수적이다. 광발광 양자 효율 분석은 반도체 내에서 발생하는 비방사성 재결합을 정량적으로 알 수 있을 뿐만 아니라, 방사성 재결합에 대한 정보도 알 수 있는 유용한 분석 기구이다.
기존까지 페로브스카이트 태양전지 소자가 아닌, 페로브스카이트 단일 박막 상태에 대한 광발광 양자 효율 분석에 관한 연구가 주로 진행됐다. 반면, 전하수송층이 적층되어 있는 페로브스카이트층 또는 소자 구조에서의 광발광 양자 효율 분석은 소자 내부에서의 페로브스카이트 자체의 특성뿐만 아니라, 소자 내 계면에서 발생하는 재결합 특성까지 확인할 수 있지만 많은 연구가 진행되지 않았었다.
▲ 페로브스카이트 태양전지 소자의 방사 가속화 (Boosting radiation of full device stack)에 대한 모식도
▲ 좌, 하부 계면 제어 및 내부 결함 제어에 따른 적층된 페로브스카이트 구조에서의 광발광 양자 효율 변화. 우, 하부 계면 제어 및 내부 결함 제어에 따른 소자 구조에서의 광발광 양자 효율 변화
노 교수 연구팀은 소자 구조에서의 광발광 양자 효율을 증가시킬 수 있는 효과적인 방법을 탐색하기 위해 적층된 페로브스카이트 구조에서의 계면 제어와 박막 내부 결함 제어 기술에 따른 광발광 변화에 대한 비교 분석을 진행하였고, 페로브스카이트 박막 내부보다 하부 전하수소층과 페로브스카이트층 사이의 계면에서 더 많은 비방사성 재결합이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
나아가 연구진은 광발광 양자 효율을 극대화하기 위해 계면 제어 기술과 박막 내부 결함 제어 기술을 결합하여 소자 구조에서의 광발광 양자 효율을 15.57%까지 끌어올렸으며, 이에 25%이상의 광전변환효율을 보이는 페로브스카이트 태양전지를 구현해 소자 구조에서의 광발광 양자 효율 분석에 대한 중요성을 입증했다.
노준홍 건축사회환경공학부 교수는 "이번 연구에서는 우수한 태양전지는 우수한 발광소자가 되어야 한다는 열역학적 한계에 접근하기 위한 연구 방향성을 다시 확인했다. 높은 수준의 전하수송 능력을 이미 갖춘 페로브스카이트 태양전지의 향후 연구 방향 중 하나를 제시하였다는 점에서 큰 의의가 있다."라고 설명했다.
한편, 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 에너지인력양성사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업, 단계도약형 탄소중립기술개발사업 등의 지원을 받아 수행된 본 연구는 에너지 분야 저명한 국제 학술지인 'Joule (인용지수: 46.048)'지에 11월 24일 자로 온라인 공개됐다. /공과대학신문