태양전지 중에서도 납 기반 페로브스카이트는 우수한 박막 품질을 형성할 수 있어 고효율 태양전지 소자 제작이 상대적으로 수월하지만, 다소 넓은 밴드갭을 형성한다는 단점이 있다. 반도체 소재에서 전도띠의 하단부분과 가전자띠의 상단부분의 에너지 차이가 크다는 말이다. 

이러한 납 기반 페로브스카이트 태양전지에 주석을 추가하면 밴드갭이 적절해지면서 높은 이론적 효율을 띠게 된다. 하지만 주석의 산화성과 높은 반응성으로 인해 발생하는 표면 결함, 낮은 내부 전하이동거리는 곧 태양전지 소자 효율을 낮춘다. 

연구팀은 이러한 주석-납 할로겐화물 층 위에 페로브스카이트 양자점을 박막으로 덮어 기존의 문제를 개선했다. 양자점이란 페로브스카이트 구조를 가지는 소재가 수~수십 나노미터(nm) 크기를 가지는 아주 작은 입자로 높은 안정성이 특징이다.
 

이렇게 개발된 소자는 지금까지 보고된 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율 중 최고 수준인 23.74%를 달성했다. 기존 방식으로 제작했을 경우 19% 효율을 보인 것과 대비해 약 20% 성능이 향상된 것이다.

장성연 교수는 "차세대 태양전지 핵심 분야로 연구되고 있는 양자점 기술과 페로브스카이트 태양전지 기술의 만남은 고효율 태양전지를 향한 새로운 방향을 제시할 것"이라며 "이러한 발견은 재료의 양자화를 통해 발생한 특성 변화를 활용하는 매우 적절한 연구 예시가 될 것"이라고 설명했다.

이번 연구는 Muhibullah Al Mubarok 박사, 김유진 석·박통합과정 연구원이 제  1저자로 참여했다. 연구 결과는 Advanced Energy Materials에 지난 달 20일 온라인 개재됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.

[참고자료]
논문명: Regulating the Quantum Dots Integration to Improve the Performance of Tin-Lead Perovskite Solar Cells.