UNIST와 KAUST 공동연구팀이 일반 대기 환경에서 제작해도 31% 이상의 효율을 내는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지 계면 코팅 기술을 개발했다. 고효율 탠덤 전지의 생산 공정에서 부담으로 지적돼 온 수분 취약성과 재현성 문제를 낮춘 성과다.

UNIST는 에너지화학공학과 석상일 특훈교수와 신소재공학과 최경진 교수팀이 사우디아라비아 KAUST 연구팀과 공동으로 3성분 계면 코팅 물질을 개발했다고 11일 밝혔다. 이번 연구 결과는 지난 1일 국제학술지 네이처 포토닉스에 공개됐다.

페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장대의 빛을 나눠 흡수하도록 페로브스카이트 전지와 실리콘 전지를 적층한 구조다. 기존 단일 실리콘 태양전지보다 높은 이론 효율을 기대할 수 있어 차세대 태양광 기술로 연구가 이어지고 있다.

상용화의 과제는 공정 안정성이다. 기존 자기조립 단분자막, SAM 계면층은 공기 중 수분에 민감해 전극 표면에 균일하게 형성되기 어렵고, 후속 용액 공정에서도 구조가 흐트러질 수 있다. 이 때문에 고효율 소자를 만들려면 수분과 산소를 제어하는 특수 환경이 필요했다.

연구팀은 기존 SAM 물질인 Me-4PACz에 GDMA와 AG를 더한 3성분 코팅층을 적용했다. GDMA는 전극 위 코팅층의 균일성과 접착성을 높이고, AG는 페로브스카이트와 맞닿는 계면 결함을 줄이는 역할을 한다. 계면 결함이 줄면 빛으로 생성된 전하 손실이 감소해 전압과 효율 향상으로 이어진다.

해당 코팅층을 적용한 탠덤 태양전지는 일반 대기 중 제작 조건에서 31.72%의 광전변환효율을 기록했다. 공인 인증 효율은 31.36%로 확인됐다. 보호 포장 없이 85도 환경에 600시간 노출한 뒤에도 초기 성능의 92% 이상을 유지했고, 모사 태양광을 1,000시간 조사한 뒤에도 90% 이상의 효율을 유지했다.

연구팀은 이 기술이 페로브스카이트 단일 전지 제작에도 적용될 수 있다고 설명했다. 7×7㎠ 대면적 기판에서도 박막 균일성이 확인돼 향후 대면적 제조 공정으로 확장할 가능성을 보였다.

이번 연구에는 UNIST 김귀수 연구원, KAUST 아디 프라세티오 연구원, UNIST 노영임 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 석상일·최경진 교수와 KAUST 스테판 드 울프 교수가 공동 교신저자를 맡았다.