고효율, 저비용 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지의 안정성과 효율을 대폭 향상시킬 첨가제가 개발됐습니다.
UNIST 박혜성·양창덕 교수팀은 페로브스카이트 태양전지의 핵심소재인 '페로브스카이트'에 미량의 유기화합물을 첨가해 태양전지의 수분·열·광 안정성을 복합적으로 개선했습니다. 전지가 태양광을 전기에너지로 변환하는 효율(광전변환효율) 또한 기존보다 17% 이상 향상됐습니다. 이번 연구는 'Advanced Energy Materials'에 게재됐습니다.
페로브스카이트 태양전지, 안정성 효율 모두 잡는다
페로브스카이트는 햇빛을 흡수해 전하 입자를 만드는 태양전지의 핵심 소재입니다. 작은 결정 알갱이(grain)들이 뭉쳐진 다결정 구조입니다. 만들기 쉽고 가격도 저렴하지만 수분이나 열 같은 외부 자극에 약합니다. 특히 결정 알갱이 사이의 '경계면 결함'(grain boundary defect)은 이 물질의 안정성을 떨어뜨리는 원인 중 하나입니다. 마치 보도블록 틈과 같은 경계면 결함을 따라 페로브스카이트가 외부자극을 받아 분해되는 현상이 가속화되기 때문입니다. 또 이 경계면 결함에서 광(光)생성 전하 입자들이 사라져 태양광을 전기로 바꾸는 효율도 떨어집니다.
- 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells, PSCs)
페로브스카이트 태양전지는 태양광을 받아 자유전자를 생산하는 광활성층에 페로브스카이트 소재를 사용한 전지로서 보통 투명전극/전하 수송층/광활성층/전하수송층/전극을 기본 구조로 제작합니다. 페로브스카이트는 두 종류의 양이온과 한 종류의 음이온이 결합해 만들어진 ABO3 3차원 결정 구조로서 광전효율이 높고 유연한 성질을 가져 높은 활용도를 가집니다.
- 결정립 경계(Grain Boundary)
페로브스카이트 결정과 결정간의 입계면을 의미합니다. 전자와 정공은 페로브스카이트 결정립 경계를 통해 이동하려는 경향을 띄며, 이때 전자와 정공의 재결합이 일어나 태양전지의 성능을 감소시킵니다. 또한 수분의 침투 경로 혹은 페로브스카이트 구성 원소가 분해돼 이동하는 경로가 돼 페로브스카이트의 안정성을 감소시키게 됩니다.
연구팀은 결정 알갱이 하나의 크기를 키워 전체 경계면 결함을 줄이는 첨가제인Y-Th2를 개발했습니다. 이 첨가제는 결정 씨앗(nucleation) 숫자 자체를 줄입니다. 결정 알갱이는 씨앗이 먼저 만들어진 후 그 씨앗이 점점 자라는 방식으로 생기기 때문에 씨앗 숫자를 줄이면 알갱이 하나의 크기를 더 키울 수 있습니다. 또 이 첨가제가 결정을 천천히 자라게 만들어 결정 알갱이 내부의 원자가 고르게 배열되고 효율도 높아집니다.
개발된 첨가제를 넣은 태양전지는 첨가제를 넣지 않는 태양전지보다 약 17% 향상된 21.5%의 초기 광전변환효율을 기록했습니다. 또 다양한 외부 자극에 대한 안정성이 복합적으로 향상돼 1,600시간 작동(40% 습도조건) 후에도 전지 초기 효율의 80% 이상을 유지했습니다. 반면 첨가제가 들어가지 않은 태양전지는 광전변환효율이 초기 효율의 30% 이하로 급감했습니다.
제1저자인 구동환 신소재공학과 박사과정 연구원은 "이 첨가제를 페로브스카이트에 넣으면 '루이스 산 염기 반응'과 '수소결합'을 통해 결정성(crystallinity, 원자배열이 고른 정도)은 우수하고 크기가 큰 결정 알갱이를 만들 수 있다"고 설명했습니다.
UNIST 신소재공학과 박혜성 교수는 "하나의 첨가제를 이용해 페로브스카이트 소재의 복합 안정성과 광전기적 성질을 모두 개선한 연구" 라며 "이번에 개발한 첨가제는 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트 LED(PeLED)와 같은 다양한 페로브스카이트 기반 광전 소자의 발전에도 크게 기여할 수 있을 것"이라고 기대했습니다.
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