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차세대 태양전지의 주요 소재로 손꼽히는 페로브스카이트는 우수한 광 흡수 능력과 전하 이동속도를 갖고 있다. 그러나 기존 페로브스카이트에 사용되는 이산화티타늄(TiO2) 전자 수송층은 500°C 이상의 고온 소결(sintering) 공정이 필요하다. 빛에 노출되면 광촉매 반응으로 인한 성능 저하가 일어나는 한계도 있다.
연구팀은 기존 이산화티타늄을 대체할 전자 수송층 소재로 메조다공성(기공이 미세다공성 물질보다는 크고 매크로다공성 물질보다는 작은 구조) 구조의 이황화몰리브덴을 활용했다. 이황화몰리브덴은 기존 이산화티타늄보다 비교적 저온(100 °C)에서 공정이 가능하다. 또한 페로브스카이트 구조와 유사성을 갖고 있어 페로브스카이트 결정 성장과 전지의 장기 안전성 향상에 기여한다.
이번 연구를 통해 개발된 메조다공성 구조의 이황화몰리브덴 페로브스카이트 태양전지는 소면적 소자(0.08cm²)에서 25.7%의 전력 변환 효율(인증 효율: 25.4%)을 보였다. 아울러 2000시간 이상의 광조사 하에서도 초기 성능의 90%를 유지하는 등 성능·안정성 측면에서 기존 대비 우수한 성능도 입증했다.
이번 연구는 산업통상자원부·과학기술정보통신부의 중견연구자사업 등의 지원을 받아 수행했다. 박혜성 교수는 “이번 연구는 메조다공성 이황화몰리브덴을 페로브스카이트 태양전지의 전자 수송층으로 적용함으로써 태양전지의 효율과 안정성을 크게 높인 사례”라며 “기존 전자 수송층의 한계를 극복할 수 있는 중요한 돌파구를 제공할 것”이라고 기대했다.
