성균나노과학기술원 (SAINT) 나노과학기술학과 및 나노공학과 이진욱 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 제작 공정에서 대기습도가 페로브스카이트 박막 제작 공정 재현성과 박막 품질에 결정적인 역할을 함을 규명하였다. 해당 연구 논문은 재료과학 분야 세계 최상위 학술지인  'Advanced Materials'지에 2023년 12월 21일자로 온라인 출판되었다.

페로브스카이트 태양전지는 높은 에너지 변환 효율과, 저렴한 용액 공정을 통해 생산이 가능하여 향후 탄소 중립 실현을 위한 차세대 태양전지 기술로 각광받고 있다. 국내외 학계 및 산업계에서 상용화를 위한 활발한 연구가 매우 활발하게 진행되고 있다. 하지만, 용액 공정을 활용한 실험에서 발생하는 공정 재현성 문제는 학계 및 산업계 연구개발 과정에서 개발속도를 지연하는 주요 요소로 작용하고 있으며, 향후 양산화 과정에서 태양전지 제품의 수율을 저하시키는 주요 이슈로 작용할 것으로 보인다. 하지만 이러한 공정 재현성 저하의 원인에 대한 체계적인 연구는 그동안 수행된 바가 없었다.

연구팀은 현재 고효율 페로브스카이트 태양전지 박막 제조 과정에서는 널리 사용되는 소재를 활용한 공정에서 재현성이 저하되는 원인으로서 대기중의 습도가 결정적인 역할을 함을 규명하였다. 미국 버클리 국립 연구소 및 UCLA연구팀과의 공동연구를 통해 공정 중 습도에 따라 코팅 중 박막 내 페로브스카이트 상 핵 생성과 열처리 중 첨가제의 휘발 속도가 지대한 영향을 받음을 확인하였다 (성균관대학교 박건우 박사과정 파견연구 수행). 더 나아가, 대기 중 습도가 페로브스카이트 제조 공정에서 피해야 할 민감하고 유해한 요소라는 기존의 고정관념과는 달리, 일부 공정 중에는 일정 수준 이상의 습도가 박막 결정성 향상 및 결함 농도 감소에 도움이 될 수 있음을 제시하였다.

연구팀의 연구결과는 향후 고효율, 장수명 태양전지 개발을 위한 단서를 제공할 뿐만 아니라 페로브스카이트 태양전지 대량 양산화를 위해 그동안 다뤄지지 않았던 공정 재현성 및 수율 문제의 중요성을 최초로 제시하였다.

※ 관련 논문 및 홈페이지
1) Atmospheric Humidity Underlies Irreproducibility of Formamidinium Lead Iodide Perovskites, Advanced Material, 2023, https://doi.org/10.1002/adma.202307265 (제 1저자: 박건우 박사과정, 교신저자: 이진욱 교수)
2) 이진욱 교수 연구실 홈페이지: https://jwlee870217.wixsite.com/mysite

그림1. 페로브스카이트 박막 코팅 및 열처리 공정 중 대기습도에 따른 결정 핵 생성 변화 및 소자 효율 변화