반도체신소재전공 윤요한 교수 연구팀이 차세대 고효율 페로브스카이트 텐덤 태양전지의 안정성을 향상시키는 인터페이스 제어 기술을 개발했다. 윤요한 교수는 이번 논문의 교신저자로 참여했다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 Advanced Energy Materials(Impact Factor 26, JCR 상위 약 2.5%)에 게재됐다.

  해당 논문은 ‘Selective Ion-Blocking Strategy for Stabilizing Perovskite Tandem Solar Cells’라는 제목으로 2026년 1월 28일 온라인판에 공개됐다.

  페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 저비용 공정이 가능한 차세대 태양전지로 주목받고 있으며, 특히 서로 다른 밴드갭을 가진 두 개의 태양전지를 적층한 텐덤(tandem) 구조는 기존 실리콘 태양전지를 넘어서는 초고효율 발전 기술로 평가된다. 이러한 텐덤 구조는 위성, 항공기, 우주 탐사 장비 등 항공우주 전력 시스템에서도 중요한 차세대 전력원으로 기대되고 있다.

  그러나 텐덤 태양전지에 사용되는 와이드 밴드갭 페로브스카이트 소재는 장시간 빛을 받을 때 내부 이온 이동에 의해 구조가 불안정해지고 성능이 빠르게 저하되는 문제가 있었다. 특히 계면에 사용되는 리튬 플루오라이드(LiF) 층은 효율을 향상시키는 장점이 있지만 실제 구동 환경에서는 플루오린 이온이 페로브스카이트 내부로 확산되어 소재 구조를 변화시키고 장기 안정성을 저해하는 원인이 될 수 있음이 밝혀졌다.

  연구팀은 이러한 문제의 원인을 분석하고 이온 이동을 선택적으로 차단하는 새로운 인터페이스 구조를 제안했다. 기존 LiF 계면 위에 리튬-TFSI 기반의 초박막 층을 추가로 형성해 ‘이온 펜스(ion fence)’ 역할을 하도록 설계한 것이다. 이 구조는 계면 결함을 줄여 전기적 특성을 안정화하는 패시베이션(passivation) 효과는 유지하면서도 플루오린 이온이 페로브스카이트 내부로 확산되는 것을 효과적으로 억제하는 것이 특징이다. 패시베이션은 반도체 표면이나 계면의 결함을 줄여 전하 손실을 감소시키고 소자의 성능과 안정성을 높이는 기술을 의미한다.

  또한 Deep Level Transient Spectroscopy(DLTS) 분석과 이론 계산을 통해 연구팀은 빛 조사 조건에서 발생하는 이온 이동과 결함 형성, 그리고 밴드갭 변화 메커니즘을 규명했으며, 새롭게 제안된 구조가 이러한 열화 경로를 효과적으로 차단한다는 것을 확인했다.

  그 결과 단일 태양전지에서 개방전압 1.284V와 효율 19.55%를 달성했으며, 이를 텐덤 구조에 적용한 결과 최대 28.41%의 고효율과 함께 향상된 장기 안정성을 동시에 확보했다.

  특히 이번 연구는 빛과 전기장이 동시에 작용하는 실제 작동 환경에서 발생하는 이온 이동 현상을 규명하고 이를 제어할 수 있는 인터페이스 설계 전략을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 이러한 기술은 고효율 태양전지의 상용화뿐 아니라 우주 환경과 같은 극한 조건에서도 안정적으로 작동하는 차세대 전력 시스템 개발에 기여할 것으로 기대된다.

  이번 연구는 우리 대학을 비롯해 경북대학교, 성균관대학교 연구팀이 공동으로 수행했다.

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Advanced Energy Materials