차세대 태양전지 면적 10배 이상 더 커진다 건물 일체형 태양전지 등 신재생에너지 상용화 기대 허령 기자입력 2017-06-28 13:25:24

미래창조과학부·한국연구재단의 기초연구지원사업(개인연구), 신산업창조프로젝트사업, 기후변화대응기술개발사업, 국가 간 협력기반조성사업 등으로 연구를 수행한 이광희 교수 연구팀은 차세대 신재생에너지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지지 않게 하는 새로운 기술을 개발했다.

 

페로스카이트 박막 필름 모폴로지에 대한 계면 상용화제의 역할

역할.jpg
친수성의 페로브스카이트 전구체 용액은 유기전하수송층의 소수성 특성으로 인해 표면에 용액을 떨어뜨릴시 마치 발수 코팅된 표면에 물을 떨어뜨린 것처럼 큰 접촉각을 보이고, 필름 형성 시에는 페로브스카이트 층이 표면을 다 덮지 못하고 가운데만 얼룩덜룩 붙어있는 모양이다. 하지만 계면 상용화제 도입시 페로브스카이트 용액의 젖음성은 크게 개선되고, 필름 형성 시 표면을 완벽하게 덮은 필름을 얻을 수 있게 된다.


쉽게 만들 수 있으면서도 태양광에너지로부터 전기에너지를 얻어내는 효율이 높다는 장점 때문에 페로브스카이트 태양전지는 전 세계에서 연구개발이 이어지고 있다. 많은 태양광에너지를 얻기 위해서는 태양전지를 크게 만들어야 하지만 페로브스카이트 태양전지는 크기가 커질수록 효율이 급격하게 감소하는 문제가 있다. 이에 연구팀은 큰 효율 저하 없이 기존 1㎠ 의 소면적 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 제작하는데 성공했다.
본 연구는 태양전지를 제작하는 과정에서 페로브스카이트 필름 형성 시 핀홀 등의 결함이 발생해 태양전지의 효율이 저하되는 문제를 양친성 소재를 이용해 해결했다.
2배 이상 늘어난 태양전지 효율을 통해 건물 옥외 및 창문에 적용 가능할 것으로 기대되며, 고전력 생산을 위한 페로브스카이트 태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

 

페로브스카이트 필름 및 태양전지 사진과 성능

성능.jpg
그림(a)처럼 계면 상용화제가 없이 형성된 페로브스카이트는 군데군데 구멍이 많아 필름이 제대로 형성되지 않은 모습이다. 반면 계면 상용화제 위에 코팅된 페로브스카이트 필름은 결함이 없고 균일한 표면을 보여준다. 이 기술을 기반으로 18.4㎠의 페로브스카이트 필름을 형성하고 6개의 태양전지를 제작해 측정한 결과 최고 17% 성능을 보임을 확인했다.


이광희 교수는 “이 연구는 고성능의 대면적 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발한 것으로 저비용 용액공정을 통해 큰 면적으로 제작이 가능하기 때문에 반투명 빌딩 유리 태양전지 패널과 같은 건물 일체형 태양전지 등에 적용할 수 있다. 아울러 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.
이번 연구는 재료과학 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 4월 10일(월)자에 게재되었다.

 

 

★ 용어 설명 ★

 

※ 유·무기 하이브리드 페로브스카이트
-> 유·무기 하이브리드 페로브스카이트 소재는 ABX3(A는 1가의 유기 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 1가의 할로겐 음이온)의 화학조성으로 구성되며, 페로브스카이트는 특정한 결정구조를 지칭한다. A, B, 그리고 X까지 모든 구성원소가 각각 바뀜에 따라 밴드갭이 변화되어 광학적 특성을 손쉽게 조절할 수 있다. 또한, 가시광 영역에서의 흡광계수가 높고, 광전하 수송 효율이 매우 뛰어나 광전지 소재로서 우수한 특성을 보이며, 이온성 물질로서 이온들 간 이온결합을 통해 결정 구조를 이루고 있다.

 

 

★ 연구 이야기 ★

 

Q. 연구를 시작한 계기나 배경은.
A. 페로브스카이트 태양전지를 연구 하던 중에 우연히 우수한 효율을 달성했는데 효율의 재현성이 극심하게 낮아 연구실 인원들이 난항을 겪을 때가 있었다. 학생 중 한 명이 페로브스카이트 전구체 용액과 유기전하수송층 사이 표면에너지 차이가 커서 코팅이 잘 안되는 것 같다고 의견을 말했다. 이에 매우 얇은 양친성의 초박막 물질을 깔면 해결될 것이라는 아이디어를 떠올렸고 실행했다.

 

Q. 연구 전개 과정에 대한 소개
A. 처음에는 유기전하수송층 위에 공액 고분자 전해질을 코팅한 후 표면 에너지가 극명하게 바뀌는 것을 접촉각 측정을 통해 알아냈고, 광발광 측정을 통해 공액 고분자 전해질의 얇은 두께로 인해 페로브스카이트에서 생성된 광전하가 터널링 메커니즘을 통해 유기전하수송층으로 전달될 수 있음을 확인했다. 그 후 소자를 제작했을 시에 우수한 성능을 얻을 수 있었고 나아가 고성능의 대면적 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있었다.

 

Q. 연구하면서 어떤 장애요소가 있었고, 어떻게 극복(해결)했는지.
A. 가장 어려웠던 점은 효율을 세계적 수준까지 올리는 과정이다. 우리가 개발한 계면 상용화제는 획기적인 개발임에는 틀림이 없었으나 정작 페로브스카이트 광활성층 제작기술이 미비해 6개월 이상 16% 정도에서 효율이 정체되었다. 연구실에 박사급 연구원과 고년차의 박사과정생들이 밤낮으로 실험해 효율을 19%대까지 끌어 올려 이번에 좋은 성과를 알릴 수 있었다.

 

Q. 이번 성과, 무엇이 다른가?
A. 기존의 세계 최고 성능의 페로브스카이트 태양전지는 언제나 4㎠ 크기 이하의 기판에서 활성영역 1㎠ 이하의 소자로 만들어져 대면적화에 대한 기술이 거의 전무한 상황이었다. 이번 연구진에서 대면적화 신기술을 사용해 제작한 페로브스카이트 태양전지는 18.4㎠의 기판에서 활성영역 6㎠ 이르는 대면적의 소자를 평균 16% 이상(최고 17%)의 효율까지 구현했다. 이는 세계 최고 수준이며 대면적 페로브스카이트 태양전지 연구의 효시가 될 것으로 기대하고 있다.

 

Q. 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?
A. 1차적 목표는 100㎠ 면적의 고성능 페로브스카이트 모듈 제작이며, 향후 A4 사이즈의 셀 제작 연구에 도전해 볼 계획이다.

 

Q. 기타 특별한 에피소드가 있었다면?
A. 연구과정 중 실험에 탄력을 받을 때가 있었는데 중간에 해외학회 출장 일정이 있어 주요 연구진들이 학회 참석차 실험을 쉬었던 때가 있었다. 학회에서 돌아와서 실험을 다시 진행했을 때 재현이 안 되던 문제가 있어 모두가 힘들어 했었다. 그때 원인으로 밝혀졌던 것은 전구체 용액 제조 시에 들어가는 용매의 변질이었고, 용매를 다시 깨끗하게 해 페로브스카이트 전구체 용액을 제조하니 다시 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있었다.

의견나누기 회원로그인
  • 자동등록방지 중복방지 문자를 이미지와 동일하게 입력해주세요
    이미지에 문자가 보이지 않을경우 이미지를 클릭하시면 문자가 나타납니다