한양대학교 고민재 교수 연구팀이 니켈·구리 채굴 과정에서 부산물로 발생하는 코발트 황화물(CoxSy)을 활용한 새로운 정공수송층을 개발, 페로브스카이트 태양전지의 고효율·장기 안정성 확보에 성공했다고 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지 후보로 주목받으며 이미 27% 수준의 광전변환효율을 달성하고 있다. 그러나 기존 정공수송층은 유기 소재의 낮은 열·습도 안정성, 도핑제의 이동성으로 인한 계면 열화, 무기 정공수송층의 비정렬된 에너지 준위 등으로 인해 고효율과 장기 신뢰성을 동시에 확보하기 어려운 한계를 지녔다. 이러한 이유로 지금까지는 유·무기 정공수송층 모두 고효율 구현을 위해 ‘도핑’이 사실상 필수적이었다.

하지만 도핑은 도펀트의 불균일 분포, 밴드 구조 왜곡, 정공 이동도 저하, 도펀트의 페로브스카이트 층 확산 등으로 이어져 장기 안정성을 저해하는 근본 원인으로 지적돼 왔다.

연구팀은 이 같은 구조적 문제를 해결하기 위해 ‘도핑이 필요 없는 무기 정공수송층’이라는 새로운 전략을 제시했다. 코발트와 황의 비율을 정밀하게 조절해 CoS, Co4S3, Co9S8 단일 상의 CoxSy를 선택적으로 합성했으며, 각 상이 서로 다른 에너지 준위를 갖는다는 점에 주목했다. 이를 통해 도핑 없이도 페로브스카이트 흡수층과 에너지 준위를 정밀하게 조율할 수 있는 플랫폼을 구현한 것이다.

실험 결과 CoS→Co9S8→Co4S3 순으로 가전자대 에너지 준위가 페로브스카이트에 가까워지면서 출력전압이 증가하는 뚜렷한 상관관계가 확인되었으며, CoxSy 기반 페로브스카이트 태양전지는 봉지(Encapsulation) 처리 없이도 고온·고습 조건(65 ℃, 상대습도 65%)에서 1,000시간 이상 초기 효율의 95% 이상을 유지해 뛰어난 환경 안정성을 보여주었다.

고민재 교수는 “이번 연구는 무기 정공수송층이면서도 도핑 없이 고효율을 구현할 수 있는 새로운 패러다임을 제시했다는 점에서 의미가 크다”며 “페로브스카이트 태양전지를 넘어, 에너지 준위 조절이 필요한 발광다이오드나 광검출기 등 다양한 광전자소자에 폭넓게 적용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 성과는 나노기술 분야 국제 저명 학술지 『Small』에 12월 3일 표지논문(Front Cover)으로 게재됐다. 해당 논문 「Stoichiometry-Controlled Cobalt Sulfide-Based Hole Transport Layers for Perovskite Solar Cells」에는 토토사이트 포스 구본기 연구원과 김우연 연구원이 공동 제1저자로, 고민재 교수가 교신저자로 참여했다.