나석인 교수·권성남 연구교수팀, 이중 패시베이션 기술 개발… 미니모듈 18.46% 효율 확인

전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 나석인 교수와 권성남 연구교수팀이 진공 증착 기반 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시키는 이중 패시베이션(Bilayer Passivation) 기술을 개발했다.

페로브스카이트 태양전지는 높은 광전변환효율, 가벼운 무게, 저비용 제조 가능성으로 차세대 태양광 기술로 주목받고 있다. 특히 진공 증착(Vacuum Deposition) 공정은 대면적 제조에 적합하고 박막의 두께와 조성을 정밀하게 제어할 수 있어 상용화에 유리한 방식으로 평가된다.

다만 진공 증착 공정으로 제작된 페로브스카이트 박막은 용액 공정에 비해 표면 결함으로 인한 비복사 재결합(non-radiative recombination)이 많이 발생해 태양전지 효율이 낮아지고 장기 안정성이 떨어지는 문제가 있었다. 연구팀은 이러한 한계를 줄이기 위해 박막 표면 결함을 단계적으로 제어하는 이중 패시베이션 전략을 제시했다.

연구팀은 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 제어하기 위해 ‘앵커-앤-실(Anchor-and-Seal)’ 전략을 적용했다. 먼저 에틸렌디아민다이암모늄 아이오다이드(EDAI₂)를 도입해 표면 결함에 강하게 결합하는 ‘앵커’ 역할을 하도록 했고, 이어 4-메톡시-페네틸암모늄 아이오다이드(4MeO-PEAI)를 적용해 남아 있는 결함과 미세한 빈 공간을 메우는 ‘실’ 기능을 구현했다.

두 물질은 상호보완적으로 작용해 기존 단일 패시베이션 방식보다 표면 결함을 효과적으로 억제하는 것으로 확인됐다. 연구팀은 이론 계산과 다양한 첨단 분석을 통해 이중 패시베이션이 적용된 계면에서 결함 밀도가 감소하고 비복사 재결합이 억제되며, 전하 추출과 에너지 준위 정렬이 함께 개선된다는 점을 규명했다. 이는 광전류와 전압 손실을 줄여 전체 소자 성능 향상으로 이어졌다.

실제 소자 성능에서도 개선 효과가 확인됐다. 연구팀이 개발한 태양전지는 최고 광전변환효율 20.59%를 기록했다. 또 질소 분위기에서 1,000시간 보관한 뒤에도 초기 성능의 94%를 유지했으며, 연속 광조사 조건에서 200시간 구동한 뒤에도 초기 효율의 90%를 유지했다.

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대면적 적용 가능성도 함께 확인됐다. 연구팀은 2.4㎠ 크기의 페로브스카이트 미니모듈에서 18.46%의 효율을 달성했다. 진공 증착 공정이 균일한 박막 형성과 대면적 생산에 유리하다는 점을 고려하면, 이번 결과는 해당 기술이 실험실 수준을 넘어 실제 제조 공정으로 확장될 수 있음을 보여주는 사례로 제시됐다.

이번 연구는 박사과정 모하마드호세인 코한(Mohammadhossein Kohan)이 제1저자로 참여했으며, 이상헌, 자스윈더 싱(Jaswinder Singh)이 공동저자로 수행했다. 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘Advanced Functional Materials’에 게재됐다.

나석인 교수는 “진공 증착 공정은 태양전지 상용화에 가장 유망한 방식 중 하나지만 표면 결함 제어가 핵심 과제로 남아 있다”며 “이번 연구는 합리적으로 설계된 이중 패시베이션 전략을 통해 이러한 한계를 극복하고 성능을 동시에 향상시킬 수 있음을 보여준 중요한 성과”라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국전력공사(KEPCO)의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀이 개발한 이중 패시베이션 기술은 진공 증착 기반 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 개선을 위한 표면 결함 제어 전략으로, 향후 대면적 모듈 제조와 상용화 기술개발에 활용될 가능성이 제시된다.

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