국민대학교(총장 임홍재) 응용화학부 임상규 · 김형민 교수팀과 한양대 최효성 교수팀이 공동 연구한 “차세대 태양전지 전자수송층 산화주석(SnO2) 나노입자의 자가-증강 비가수분해 합성” 논문이 화학공학 분야 저명 국제학술지인 Chemical Engineering Journal (JCR engineering, chemical 분야 상위 2.7%, IF13.273)에 게재됐다.
산화주석은 높은 전자이동도, 낮은 합성온도, 우수한 광안정성으로 차세대 태양전지의 전자수송층 소재로 주목받고 있다. 특히, 합성된 산화주석 표면을 염소(Cl) 등으로 패시베이션(passivation)하면 전자수송층 표면 및 계면에서의 고유결함을 줄이는데 효과적인 것으로 보고되어 왔다.
하지만, 기존의 가수분해 합성법은 물 때문에 반응성 조절이 어렵고 합성된 나노입자의 결정성 저하로 추가적인 어닐링 공정이 필요하다. 또한, 그 대안으로 개발된 벤질알콜 이용 비가수분해 합성법은 반응 부산물의 제거가 어렵고 패시베이션 효율이 떨어진다.
본 연구팀은 이 논문에서 tert-뷰틸알콜을 이용한 새로운 비가수분해 산화주석 나노입자 합성법을 제안하였다. 이 반응의 부산물인 염화 tert-뷰틸은 tert-뷰틸알콜과 염소 이온으로 쉽게 전환되는데, 이는 다시 반응의 원료와 Cl 패시베이션에 재사용된다. 이러한 자체적인 자가-순환 합성은 반응의 완결도 향상, 효과적인 반응부산물 제거, 패시베이션 효율 향상 등 기존 합성법의 문제점들을 동시에 해결할 수 있다.
새 합성법으로 만들어진 산화주석 나노입자를 적용한 정구조 페로브스카이트 태양전지는 20.2%의 광전 효율과 70일 후에도 97%의 효율 유지도를 기록하였다. 또한 역구조 페로브스카이트 태양전지와 유기태양전지에 적용했을 때도 각각 17.0%와 14.8%의 광전 효율을 달성하는 등 다양한 유형의 차세대 태양전지에 적용 가능함을 확인하였다.
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