차세대 태양전지 면적 10배 이상 더 커진다

차세대 태양전지 면적 10배 이상 더 커진다
- 건물 일체형 태양전지 등 신재생에너지 상용화 기대 -

□미래창조과학부(장관 최양희) 기초연구지원사업(개인연구), 신산업창조프로젝트사업, 기후변화대응기술개발사업, 국가 간 협력기반조성사업으로 연구를 수행한 이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀은 차세대 신재생에너지로 주목받는 페로브스카이트^* 태양전지^* 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지지 않게 하는 새로운 기술을 개발했다.
* 페로브스카이트 : ABX₃ (A는 1가의 유기 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 1가의 할로겐 음이온)의 화학조성으로 구성된 결정 구조를 갖는 신소재이다.
* 페로브스카이트 태양전지 : 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지

□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 있었다. 연구팀은 큰 효율 저하 없이 기존 1cm²의 소면적 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 제작하는데 성공하였다.

□ 이광희 교수 연구팀의 연구는 재료과학 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 4월 10일자에 게재되었다.

o 논문명과 저자 정보는 다음과 같다.
- 논문명 : Achieving Large-Area Planar Perovskite Solar Cells by Introducing an Interfacial Compatibilizer
- 저자 정보 : 이광희 교수(교신저자, 광주과학기술원) 강홍규 연구교수(공동 교신저자, 광주과학기술원), 이진호(제1저자, 광주과학기술원)

□ 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

1. 연구의 필요성
○ 유·무기 하이브리드^* 페로브스카이트 소재는 유기물의 용액 공정성^*과 무기물의 높은 전하 이동도^*를 동시에 보인다. 또한 저가이면서도 고효율을 나타내 차세대 태양전지 소재로서 각광받고 있다.
* 유·무기 하이브리드 : 유기물과 무기물이 섞인 소재를 의미하며 유기물과 무기물은 탄소 화합물의 유무에 따라 분류한다. 일반적으로 탄소화합물이 있으면 유기물, 없으면 무기물로 정의한다.
* 용액 공정 : 필름 형성이 진공 증착법이 아닌 소재를 용매에 녹여 페인트를 칠하듯 코팅해내는 공정. 특히 인쇄 공정을 도입할 경우 태양전지를 신문 인쇄하듯 찍어낼 수 있다.
* 무기물의 높은 전하 이동도 : 전하가 이동을 얼마만큼 잘 하는지를 나타내는 척도가 전하 이동도인데 무기물은 물질 내부에 전하 이동을 방해할 만한 요소가 적어 전하 이동도가 높다.

○ 하지만 대면적의 페로브스카이트 태양전지는 소자 면적이 커짐에 따라 효율이 급격하게 감소되는 문제가 있었다. 이유는 페로브스카이트 필름 형성 시 전체 면적을 덮지 못하며, 곳곳에 발생하는 핀홀^* 등의 결함 때문이다. 이러한 결함은 페로브스카이트 전구체 용액^*이 유기전하수송층^* 위에 코팅될 때 발생하는 발수현상^*에 의해 표면에 군데군데 빈공간이 생기는 현상에 기인한다. 페로브스카이트 필름의 품질 저하를 최소화하기 위해서는 이러한 결함을 없앨 수 있는 기술 개발이 필요하다.
* 핀홀 : 필름에 생기는 매우 작은 직경을 갖는 구멍
* 페로브스카이트 전구체 : 페로브스카이트가 되기 전 단계의 분자인 유기 및 금속할로겐화물이 녹아 있는 용액. 코팅 후 가열하면 페로브스카이트 소재가 된다.
* 유기전하수송층 : 탄소원자로 이루어진 유기물로서 반도체 특성을 보여 페로브스카이트에서 받은 전하를 수송하여 태양전지의 효율을 높여준다.
* 발수 현상 : 물질의 표면이 물을 만났을 때 물에 젖지 않고 물을 팅겨내는 현상. 가령 연꽃 잎에 물을 뿌렸을 때 표면이 젖지 않고 물방울만 맺혔다가 물을 털어내면 완전히 제거된다

2. 연구내용
○ 페로브스카이트 태양전지는 먼저 유리기판 위에 유기전하수송층을 코팅하고 그 위에 페로브스카이트 전구체 용액을 코팅하여 제작한다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 효율을 저하시키는 발수 현상을 해결하기 위해 공액 고분자^* 전해질^*을 유기전하수송층 위에 계면 상용화제로 코팅하고 그 위에 페로브스카이트 필름을 형성하였다.
* 공액 고분자 : 고분자의 골격을 이루는 탄소 결합이 하나의 결합 방식이 아닌 단일결합과 이(다)중결합이 반복적으로 번갈아가면서 나타나는 구조를 기본 골격으로 갖는 고분자
* 전해질 : 수용액 상태에서 분리되는 이온을 갖고 있는 물질로서 전류가 흐르는 물질이다. 예로서 소금은 전해질이라 소금자체는 전류가 흐르지 않지만 소금물은 전류가 통할 수 있다.
○ 공액 고분자 전해질은 양친성^*을 가져 친수성^*의 페로브스카이트 전구체 용액과 소수성^*의 유기전하수송층 사이의 발수현상을 해결한다. 그 결과 페로브스카이트 전구체 용액의 젖음성^*을 획기적으로 증가시켜 넓은 면적에서도 고품질의 페로브스카이트 박막^*을 얻을 수 있게 해준다.
* 양친성 : 분자구조 내에 친수성과 소수성의 특성을 나타내는 분자를 동시에 지녀 친수성과 소수성 표면 모두와 잘 결합하는 특성을 보인다.
* 친수성 : 물 분자와 쉽게 결합하는 특성을 지녀 물과 닿았을 시 물이 잘 퍼지게 되는 특성을 말한다.
* 소수성 : 물을 싫어하여 물과의 접촉면적을 최소화하려는 성질을 말한다. 일반적으로 물에 닿는 접촉면의 화학적 구조에 기인하는 특성이며 물을 좋아하는 친수성과는 반대의 개념이다.
* 젖음성 : 고체의 표면에 액체가 닿았을 때 고체와 액체간의 상호 작용에 의해 액체가 퍼질 때 얼마나 잘 퍼지냐는 척도를 말한다.
* 박막 : 두께가 1/1000mm 이하의 매우 얇은 막을 말하며 일반적으로 기계적 가공으로는 만들어 낼 수 없다.

○ 이러한 양친성 고분자 계면 상용화제 기술은 어떠한 유기전하수송층 위에서도 효과적으로 젖음성을 개선시켜 주어 고품질의 대면적 페로브스카이트 박막을 전하수송층 및 기판의 종류에 상관없이 제작 가능하게 한다.
○ 양친성의 고분자 전해질 계면 상용화제를 적용하여 18.4cm²(4.6cm×4 cm)의 대면적 페로브스카이트 필름을 제작하고 그것을 기반으로 1cm² 면적의 페로브스카이트 태양전지 단위 셀 6개를 제작하였다. 모든 단위 셀들은 평균 16% 이상, 최고 17%의 고효율을 보여, 대면적 페로브스카이트 태양전지 제작 시 태양광 전환효율 16% 이상을 기대 할 수 있다. 이는 연구실 단위 태양전지 효율 검증의 기준으로 적용되는 소면적(0.1 cm²) 단위소자 효율 19% 대비 90%에 근접하는 성능이며 대면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 성능이다.

3. 연구 성과
○ 이 연구는 태양전지를 제작하는 과정에서 페로브스카이트 필름 형성 시 핀홀 등의 결함이 발생해 태양전지의 효율이 저하되는 문제를 양친성 소재를 이용하여 해결하였다.
○ 이 연구결과는 페로브스카이트 필름의 대면적화 신기술을 보여주었다. 2배 이상 늘어난 태양전지 효율을 통해 건물 옥외 및 창문에 적용 가능할 것으로 기대된다. 또한 고전력 생산을 위한 페로브스카이트 태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

□이광희 교수는“이 연구는 고성능의 대면적 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발한 것이다. 저비용 용액공정을 통해 큰 면적으로 제작이 가능하기 때문에 반투명 빌딩 유리 태양전지 패널과 같은 건물 일체형 태양전지 등에 적용할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는데 기여할 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.