고려대 화공생명공학과 임상혁 교수, 조성 고정 성장(CPG) 전략을 통한 고효율 무기 납-주석 페로브스카이트 태양전지 개발
▲(왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 박진경 연구교수(제1저자), 고려대 이형준 석박통합과정(제1저자), 고려대 임상혁 교수(교신저자), 중국 톈진대 화학공학부 페이 장(Fei Zhang) 교수(교신저자), 중국 톈진대 허진혁 교수(교신저자)
본 연구 성과는 국제적인 학술지 ‘InfoMat(IF=22.3)’ 온라인에 5월 26일에 게재됐다. * 논문명: Composition Pinning Growth for Efficient and Stable All-inorganic Pb-Sn Perovskite Solar Cells * DOI: 10.1002/inf2.70153 * URL: https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/inf2.70153 모든 이온이 무기물로 이루어진 납-주석(Pb-Sn) 기반 무기 페로브스카이트는 태양광 발전에 이상적인 밴드갭을 제공하며 기존 하이브리드 소재보다 열적 안정성이 뛰어나 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 하지만 박막 형성 시 납과 주석 종의 결정화 속도 차이로 인해 표면에 주석(Sn)이 과도하게 농축되고 불균일한 조성을 띄는 고질적인 문제가 있었다. 이러한 결정화 불균일성은 산화를 촉진하여 결함을 유발하며, 특히 대면적 소자로 확장할 때 성능과 구동 안정성을 크게 떨어뜨리는 주요 원인이었다. 
▲ (아래) 조성 고정 성장(CPG) 공정을 이용한 무기 페로브스카이트 태양 전지의 성능 향상 ▲ [그림 설명] 조성 고정 성장(CPG) 공정을 이용한 무기 페로브스카이트 박막의 조성 불균일성을 억제 및 균일한 표면 전기적 특성을 보여준다. 연구팀은 이를 극복하기 위해 기존 공정보다 용매 증발 및 결정화에 이르는 시차를 대폭 단축하는 '조성 고정 성장(CPG)' 전략을 새롭게 도입했다. 이 공정을 통해 결정화 과정에서 주석과 납이 분리되는 현상을 억제하고, 박막 전체에 걸쳐 균일한 주석/납 조성을 형성하는 데 성공했다. 그 결과 표면 주석 산화와 결함 밀도를 획기적으로 낮추었으며, 비발광 재결합을 줄여 태양광 발전에 훨씬 유리한 광전자적 특성을 확보했다. 새로운 공정으로 제작된 페로브스카이트 태양전지는 단위 셀(Unit-cell) 기준 최대 19.37%의 전력 변환 효율(PCE)을 기록했으며, 이는 현재까지 보고된 전무기 납-주석 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준의 성능이다. 더욱이, 이 기술은 대면적 생산 공정(스프레이 코팅 등)에도 적합하여, 64 cm² 면적의 대형 페로브스카이트 태양광 모듈(PSM)에서도 17.03%의 높은 모듈 효율을 달성했다. 안정성 측면에서도 괄목할 성과를 거두었다. 개발된 모듈은 85℃ 고온 및 85% 상대습도의 가혹한 환경에서 1,000시간 연속 구동한 후에도 초기 효율의 약 87%를 유지하며 탁월한 장기 내구성을 입증했다. 이번 연구는 박막 성장 경로를 정밀하게 제어하는 기술이 무기 납-주석 페로브스카이트의 성분 불균일성과 산화 문제를 해결할 수 있는 핵심임을 입증했으며, 향후 크기 확장이 가능한 고효율·고안정성 차세대 태양광 소자 상용화에 중요한 기반을 마련할 것으로 기대된다. 본 연구는 한국연구재단(NRF) 기초연구(리더연구), 나노∙소재기술 개발사업, 극한환경원자력전원공급시스템개발, 및 세종과학펠로우십의 지원을 받아 수행됐다.
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