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성균관대학교(총장 신동렬) 나노공학과 전일 교수 연구팀(제1저자 김규선, 한지예 연구원)이 고려대학교 우한영 교수 연구팀(제1저자 Wu Ziang 연구원)과 함께 풀러렌(Fullerene) 제공층을 가지는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 구조를 세계 최초로 개발했다.
비극성 용매에만 용해되는 종래의 풀러렌 유도체를 태양전지에 사용 시 실질적으로 적용할 수 있는 구조가 한정되어 있지만, 본 연구에서 제작한 ‘PC61B-TEG와 PC61B-BiTEG의 경우 극성/비극성 용매에 용해성이 뛰어나고 모든 구조에 적용이 가능하다’고 한다.
전일 교수는 “PC61B-TEG 및 PC61B-BiTEG의 풀러렌 유도체를 이용하여 농도 구배 (concentration gradient) 제어가 가능한 풀러렌 제공층 구조를 최초로 개발하였다”고 밝혔다.
전자 수송재료로 개발된 대부분의 풀러렌 유도체는 극성 용매에 불용성을 가지고 있어 소량만 첨가 가능하며 국한된 소자 구조에만 적용 가능하다는 아쉬움이 있었다.
기존 풀러렌의 경우, 안티 솔벤트 (Anti solvent)에 용해시켜 페로브스카이트 필름을 형성하는 방법과 전자 수송층을 도입하는 방법 이 2가지 방법에만 국한되어 있어 전자 수송능력을 극대화하기에는 구조가 한정적인 어려움이 존재한다.
이에 연구팀은 비극성 용매뿐만 아니라 극성 용매에서도 용해성이 뛰어난 풀러렌 유도체를 합성하였고, 이들의 농도 구배 제어가 가능한 풀러렌 제공층 구조를 개발하였다.
합성한 신규 풀러렌 유도체는 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid 2-[2-(2-meth oxyethoxy)ethoxy]ethyl ester (PC61B-TEG)와 [6,6]-phenyl-C61-butyric acid 1-methyl3-[2-(2,5,8,11- tetraoxadodec-1-yl)-4,7,10,13-tetra-oxatetradec-1-yl] ester (PC61B-BiTEG)로 2종류다.
페로브스카이트 태양전지에 적용하기 위해 아래의 다이렉트 도핑 (Direct doping), 오버코팅 (Overcoating), 오버코팅+웨이팅 (Overcoating+ waiting)의 3가지 방법을 적용함으로써 구조적인 한계를 극복하여 모든 구조에 적용이 가능해졌다.
개발한 풀러렌 제공층 위에 페로브스카이트 필름 형성 시, 웨이팅 효과 (Waiting effect)를 이용하여 페로브스카이트 필름 내에 농도 구배를 통한 정밀 제어로 전자 수송재료의 흡수를 자유롭게 조절할 수 있다.
이를 통해 큰 페로브스카이트 결정의 형성 유도, 에너지 소자의 효율 및 안정성을 극대화하여 고효율화 및 고안정성에 최적화된 소자를 구현해 낼 수 있었다는 설명이다.
제작된 페로브스카이트 태양전지는 23.34%의 광전효율을 기록하였는데 이는 풀러렌 제공층이 존재하지 않는 기존 소자의 21.88% 대비 향상된 것이다.
극성 유·무에 구애받지 않고 정밀 제어가 가능한 풀러렌 제공층 도입을 통해 풀러렌 기반의 n형 전하 수송재료가 적용 가능한 페로브스카이트 태양전지의 구조적 한계를 극복하고 페로브스카이트의 결정성장 유도 및 에너지 소자의 효율과 안정성을 더욱 향상시킨 결과라고 설명한다.
과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 개인기초연구(신진연구)사업, 개인기초연구(중견연구)사업, 개인기초연구(박사후국내연수)사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 세계적으로 권위 있는 에너지재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 4.17(일) 온라인 게재되었다.
