페로브스카이트 태양전지 내구성·효율 동시에
페로브스카이트 태양전지 내구성·효율 동시에
  • 함예솔
  • 승인 2020.10.04 23:40
  • 조회수 622
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개발된 유기층을 적용한 페로브스카이트 태양전지. 출처: UNIST
개발된 유기층을 적용한 페로브스카이트 태양전지. 출처: UNIST

차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지 상용화에 걸림돌이었던 수분 취약성 문제를 해결한 물질이 개발됐습니다. 이 물질을 쓴 전지는 이제껏 논문으로 보고된 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준의 효율(24.82%)을 기록했습니다. 수분 안정성과 효율을 동시에 잡은 획기적인 이번 연구 결과는 세계적 과학저널인 <Science>지에 9월 25일자로 온라인 공개됐습니다. 이번 연구로 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 크게 앞당겨 질 전망입니다.

  • 페로브스카이트 태양전지

두 개의 양이온(A, B)과 하나의 음이온(O)이 결합된 ABO3 구조를 지니는 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 활용해 태양광으로부터 전류를 생산하는 태양전지의 한 종류입니다.

페로브스카이트 태양전지, 내구성과 효율을 동시에

 

UNIST와 한국에너지기술연구원 공동연구팀은  페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것은 막으면서 전지 효율을 높이는 '유기 정공수송층 물질'을 개발했습니다. 정공수송층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 하는 태양전지 구성층입니다. 공동 연구진은 기존 정공수송층(Spiro-OMeTAD, 스파이로 구조를 갖는 물질)의 수소를 불소로 바꿔(불소 도입) 성능이 좋으면서도 수분을 흡수하지 않는 정공 수송층 물질을 개발했습니다.

  • 광활성층

태양광전지에서 태양광을 받아 전자와 정공을 생성하는 물질. 이 전자와 정공은 각각 전자수송층과 정공수송층을 거쳐 전극으로 전달된다. 전극으로 전달되는 전자와 정공의 양이 많아야 전력생산이 증가한다.

  • 스파이로(Spiro)구조

유기물질의 구조 중 하나. 2개 이상의 환형(ring)분자가 중앙의 공통 원자와 결합한 구조. 이번에 개발된 물질도 물질 구조상으로는 스파이로 구조를 갖는다. 

연구팀은 '불소 도입'이라는 간단한 방식으로 정공 수송층과 광활성층을 안정화 시켰습니다. 개발된 정공 수송층 물질은 기존 정공 수송층의 우수한 성능은 유지하면서도 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질(소수성)이 강해 수분을 흡수하지 않습니다. 기존 정공 수송층이 대기 중 수분을 흡수하는 문제를 해결해 전지가 높은 효율을 오래도록 유지할 수 있습니다. 수분이 정공 수송층 자체의 성능을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 정공 수송층이 흡수한 수분에 노출된 광활성층(페로브스카이트)이 분해되는 복합적인 문제가 있었습니다.

기존 스파이로 물질 (Spiro-OMeTAD) 및 신규 개발된 불소가 도입된 스파이로 물질(Spiro-mF, Spiro-oF)의 화학 구조. 출처: UNIST
기존 스파이로 물질 (Spiro-OMeTAD) 및 신규 개발된 불소가 도입된 스파이로 물질(Spiro-mF, Spiro-oF)의 화학 구조. 출처: UNIST

연구진은 개발된 물질을 태양전지 정공수송층으로 써 24.82% (공인인증 결과 24.64%)의 고효율 페로브스카이트 태양전지를 얻었습니다. 또 수분 안정성이 해결돼 500시간 동안 고습도 환경에서도 87% 이상의 효율을 유지했습니다. 반면 기존물질을 정공수송층으로 사용하였을 경우 500시간 후 40%이상의 효율이 감소했습니다. 

(A) Spiro-OMeTAD 기반 태양전지 및 새로 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF) 기반 태양전지의 성능 비교. (B) 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF)이 적용된 태양전지 소자의 안정성 향상. 출처: UNIST
(A) Spiro-OMeTAD 기반 태양전지 및 새로 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF) 기반 태양전지의 성능 비교. (B) 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF)이 적용된 태양전지 소자의 안정성 향상. 출처: UNIST

특히 공인 인증된 전지의 경우 1.18V의 높은 개방 전압을 보였습니다. 참고로 개방전압은 이론전압에서 전자정공 재결합 등에서 의해서 손실되는 전압을 뺀 값입니다. 이는 페로브스카이트 전지가 이론적으로 만드는 전압에 최대로 근접한 수치입니다. 개방 전압이 높을수록 전력(전력=전압x전류) 생산량이 많아지고 태양전지의 효율이 높아집니다. 

 

전지제조를 담당한 한국에너지기술연구원 김동석 박사는 "현재까지 보고된 전압 손실 중에서 가장 낮은 값인 0.3V의 전압손실(페로브스카이트 태양전지기준)로 이론치에 근접한 개방 전압을 얻었다"며 "또 전지를 대면적(1cm2)으로 제작해도 효율(22.31%)의 감소가 적어 상용화 가능성이 밝다"고 설명했습니다.

UNIST 곽상규 교수, 양창덕 교수, 한국에너지기술연구원 김동석 박사, 최인우 연구원,  UNIST 정민규 연구원, 고은민 연구원. 출처: UNIST
(우측 상단부터)UNIST 곽상규 교수, 양창덕 교수, 한국에너지기술연구원 김동석 박사, 최인우 연구원, UNIST 정민규 연구원, 고은민 연구원. 출처: UNIST

UNIST 에너지화학공학과 곽상규 교수는 개발된 물질이 우수한 성능을 보이는 이유를 이론적으로 분석했다. 곽상규 교수는 "분자 시뮬레이션 결과 개발된 물질은 광활성층에 흡착됐을 때 기존 물질보다 정공 수송에 더 유리한 흡착 구조를 갖고, 물질 분자 간 정공 수송 효율도 증가시켰다"고 설명했습니다. 

 

이 물질을 개발한 UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수는 "효율과 안정성이 높은 유기 정공 수송층 개발 연구는 지난 20년 동안 지속되어 왔지만, 이 두 가지 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 물질을 찾기 어려웠다"며 "그동안 양립하기 어려웠던 수분안정성과 효율 문제를 기존 스파이구조 물질에 불소 원자를 도입하는 방식을 통해 동시에 해결한 매우 획기적인 연구"라고 연구 의의를 설명했습니다.


##참고자료##

 

 


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