나노결정 기술로 페로브스카이트 태양전지 효율 26.2% 달성

국제 학술지 네이처에 발표된 최신 연구에 따르면, 중국 난징대학교와 렌샤인 솔라 등 연구팀이 나노결정 기반의 새로운 재료 공학 기법을 통해 차세대 태양전지인 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지의 성능을 획기적으로 개선했다. 특히 65제곱센티미터 규모의 대면적 모듈에서 26.2%의 전력변환효율을 달성했으며, 이는 상용화 수준의 페로브스카이트 태양전지 개발에 중요한 이정표가 되고 있다.

기존의 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지는 금 기반의 터널 재결합 접합부를 사용해왔다. 그러나 이러한 금 기반 구조는 근적외선 대역에서 상당한 빛 손실을 야기하고, 계면의 불안정성으로 인해 장기적인 안정성이 떨어진다는 근본적인 문제를 안고 있었다. 이는 태양전지가 생산할 수 있는 전류량을 제한하고, 실제 운영 과정에서 성능 저하를 초래하는 주요 원인이었다. 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 완전히 새로운 접근 방식을 개발했다.

연구의 핵심은 표면 공학 기술로 처리된 산화인듐 나노결정을 사용하는 것이다. 이 나노결정은 매우 높은 광학적 투명성을 가지고 있으면서도 형태와 화학적 구조를 정교하게 조절할 수 있다는 장점을 갖는다. 특히 나노결정의 표면에 붙어있는 리간드라는 화학 물질을 최적화함으로써, 페로브스카이트 층과 재결합 층 사이의 계면 접촉을 매끄럽게 만들고 에너지 준위 정렬을 유리하게 조성할 수 있었다. 이를 통해 전하 캐리어들이 효율적으로 이동할 수 있는 환경을 만든 것이다.

연구팀은 또한 납-주석 페로브스카이트 전구체에 포스폰산이라는 첨가제를 도입했다. 이 첨가제는 여러 가지 긍정적인 역할을 동시에 수행한다. 먼저 산화인듐 재결합 층과의 전자 접촉을 개선하여 정공 추출을 향상시킨다. 동시에 페로브스카이트 결정화 과정을 조절함으로써 필름 형성 중에 발생하는 잔여 응력을 완화한다. 이는 결국 대면적 영역에서도 균일한 고품질의 페로브스카이트 막을 만들 수 있게 해준다. 이러한 계면 공학과 결정화 공학의 조화로운 전략을 통해, 연구팀은 전하 재결합 효율 증대, 전하 추출 개선, 그리고 대면적 필름 균일성 향상을 동시에 달성했다.

최종적으로 개발된 65제곱센티미터 규모의 올-페로브스카이트 탠덤 태양전지 모듈은 일본 전기안전환경기술연구소(JET)의 인증을 받아 26.2%의 전력변환효율을 기록했다. 이는 개방회로전압 2.182V, 필 팩터 77.4%, 단락회로 전류밀도 15.6밀리암페어 제곱센티미터의 평균 부분전지 성능으로 달성된 수치다. 이러한 결과는 페로브스카이트 탠덤 태양전지의 대규모 상용화 가능성을 보여주는 중요한 성과로 평가받고 있다. 특히 기존의 금 기반 접합부를 완전히 대체할 수 있는 솔루션 공정 기반의 산화인듐 나노결정 기술이 입증됨으로써, 향후 더욱 효율적이고 저비용의 차세대 태양전지 개발이 가속화될 것으로 예상된다.