유기소재시스템공학과 김효정 교수 연구팀이 국제 공동연구를 통해 상온에서 안정적으로 페로브스카이트 박막 형성이 가능한 공정을 개발해, 기존의 20%에 머물러 있던 광전변환효율을 세계 최초로 24% 이상으로 획기적으로 향상시켰다.

* 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells): 페로브스카이트(perovskite)는 ABX₃ 구조를 갖는 물질로, 이러한 구조를 가지는 유·무기 페로브스카이트 물질을 광흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지. 상기 논문의 태양전지는 역구조 (p-i-n) 소자임.

최근 재생 에너지에 대한 수요가 증가하면서, 페로브스카이트 태양전지가 높은 광전변환효율과 롤투롤(roll-to-roll) 기술을 포함하는 프린팅 기반의 낮은 생산 비용 가능성으로 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 페로브스카이트 기반의 태양전지는 향후 웨어러블 소자, 건물결합형 태양전지(BIPV) 등 다양한 분야로 응용이 확장될 것으로 기대된다. 

그러나 기존의 페로브스카이트 태양전지 제작 공정은 CO₂ 배출에 따른 환경 파괴와 열처리로 인한 프린팅 공정 속도의 제약 등으로 적합성에 한계가 있었다. 특히, 고온 처리와 산 처리(계면층 제작 시) 등을 포함하기 때문에 공정 적용 자체가 제한적이며, 고분자 유연 기판에서의 높은 품질의 박막 형성이 불가능했다. 이러한 고온 및 반환경적인 페로브스카이트 공정은 응용의 확장성과 시장성을 제한해 왔다.

【기존 상온/저온 공정 연구 결과와 본 연구팀의 연구 결과 비교 차트】

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 상온에서 안정적으로 형성 가능한 계면 및 광활성 물질과 공정을 개발하고, 이를 통해 페로브스카이트 태양전지의 생산성과 활용성을 동시에 향상시켰다.

김효정 교수팀은 열처리 없이 상온에서 광활성(photoactive) 페로브스카이트 박막을 형성했음을 증명하기 위해 새로운 x-ray 측정 기법을 도입했다. 기존의 측정 방식은 고체 필름에서 수행되므로 구조 형성 역학을 실시간으로 이해하기 어려웠기 때문에, 실시간으로 페로브스카이트 박막 구조 형성을 관찰할 수 있는 측정 장치를 개발해 연구팀의 상온 공정이 추가적인 열처리가 필요하지 않다는 것을 증명했다. 

【나뭇잎 표면의 SEM 이미지(왼쪽), 나뭇잎과 100도에서 열처리한 나뭇잎 사진(중간), 

나뭇잎 위에 형성된 페로브스카이트 박막의 SEM 이미지(오른쪽)】

또한, 상온 공정의 타당성을 효과적으로 입증하기 위해 유연기판의 대표로 나뭇잎을 선택해 실험을 진행했다. 위 사진에서 볼 수 있듯 나뭇잎은 수많은 기공이 존재하는 거친 표면을 가지고 있고, 100도에서 단 20초 만에 손상됐다. 하지만 연구팀이 개발한 상온 공정을 통해 나뭇잎 표면을 성공적으로 커버했고, 그 위에 페로브스카이트 박막을 손상 없이 형성했다. 

김효정 교수는 “이번 연구는 태양전지 산업을 혁신적으로 바꿀 수 있는 중요한 성과로, 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 크게 기여할 것”이라고 말했다.

【왼쪽부터 김효정 교수, 이아라 박사】

해당 논문은 국제 학술지 『Joule』 7월 17일자에 게재됐으며, 7월호 저널 표지로 선정됐다.

- 논문 제목: Room-temperature-processed perovskite solar cells surpassing 24% efficiency(24% 효율을 달성한 상온 가공 페로브스카이트 태양전지)

- 논문 링크: https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.002

이번 연구는 부산대 유기소재시스템공학과 김효정 교수가 공동 교신저자, 이아라 박사가 제1저자로 수행했으며, 한국전력연구원 김도형 박사와 미국 샌타바버라 캘리포니아 주립대(University of California, Santa Barbara, UCSB) Thuc-Quyen Nguyen 교수가 공동 교신저자로 참여했다. 

* 상단 이미지: 『Joule』7월호 표지. 연구팀 논문 이미지가 저널 표지로 선정됐다.

[Abstract]

The growing demand for renewable energy has spotlighted photovoltaics (PVs), particularly perovskite solar cells (PSCs). However, current processes for manufacturing PSCs rely on high-temperature annealing and intricate post-treatments, thereby limiting their applicability. To address this challenge, we introduce a simple approach to produce high-quality perovskite films at room temperature (RT) by precisely regulating the perovskite composition (Especially, Cs) with the addition of an organic linker (OAm). This method enabled phase conversion to the stable α-phase without thermal annealing, as confirmed by in-situ x-ray monitoring. The optimized Cs10+OAm device achieved impressive efficiencies of 23.2% (24.4% with an anti-reflective coating), surpassing efficiencies attained by previous room/low-temperature processed PSCs. Additionally, we demonstrated the feasibility of fabricating perovskite films on unconventional substrates (natural leaves), showcasing the potential for versatile applications. These findings offer insights into stabilizing the perovskite structure at RT, promising advances in PV technology and sustainable light energy utilization.

* Reference

- Authors (Pusan National University)

 · First Author: Ahra Yi (Department of Organic Material Science and Engineering, School of Chemical Engineering) 

 · Corresponding Author: Hyo Jung Kim (Department of Organic Material Science and Engineering, School of Chemical Engineering)

- Title of original paper: Room-temperature-processed perovskite solar cells surpassing 24% efficiency

- Journal: Joule

- DOI: https://doi.org/10.1016/j.joule.2024.04.002