* 이 보도자료는 미래부 주관으로 배포됐음을 알려드립니다.

^*페로브스카이트(perovskite): 부도체·반도체·도체 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 금속 화합물

^**정공수송층 (hole transport layer): 태양전지에서 흡수된 태양광으로 만든 정공(전자가 빠져나간 빈구멍)을 투명전극으로 옮겨주는 층  

^*논문명: Conjugated polyelectrolyte hole transport layer for inverted-type perovskite solar cells

* 최근 연구에서 실리콘 태양전지와 비슷한 20%대의 기록 보고

** 역구조 페로브스카이트 태양전지: 투명전극 위에 정공수송층이 위치하도록 기존 전자․ 정공 수송층을 바꾼 페로브스카이트 태양전지. 전자와 정공의 수송 속도를 맞추기 위해 첨가했던 고온처리 금속 화합물이 불필요해졌기 때문에 고효율로 휘고 접힐 수 있도록 제작 가능

*저온 용액 공정: 200℃이하에서 용액을 스프레이 혹은 잉크젯프린팅 방법 등으로 박막을 형성하는 공정

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

ㅇ 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 제작비용이 저렴하고 용액공정으로 박막제작이 가능하기 때문에 다양한 분야에 응용할 수 있어 차세대 박막 태양전지로 각광받고 있다. 

ㅇ 페로브스카이트 태양전지는 다양한 소재 및 소자구조가 개발되어 소자 효율이 현재 20%까지 보고되었지만 낮은 소자 안정성과 정공 수송층 소재의 부족이 해결해야 할 과제로 남아있다. 

2. 연구내용

ㅇ 본 연구는 기존에 반전된 구조의 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층으로 널리 사용되고 있는 PEDOT:PSS의 단점인 강산성에 의한 페로브스카이트 태양전지 수명 단축 문제를 해결하기 위해 pH가 중성이고 저온 용액공정이 가능한 공액고분자 전해질 CPE-K을 도입함으로써 소자효율과 수명을 동시에 향상시키는데 성공하였다.  

ㅇ 대표적인 정공 수송층인 PEDOT:PSS는 우수한 소자효율을 나타내지만 강산성을 띄어 페로브스카이트 광흡수층의 부식을 촉진시켜 소자 수명을 단축시키는 단점이 있다. 그래서 효율 및 수명향상을 위해 니켈옥사이드와 같은 정공 수송층 재료를 개발하려는 연구가 활발하나 이들 재료들은 고온의 열처리 과정 혹은 열진공증착법이 요구되어 플렉서블 및 대면적 소자 제작에 어려움을 겪고 있다.

ㅇ 차세대 정공 수송층 재료는 페로브스카이트 전구체 용액과의 호환성이 우수하고 저온용액 공정이 가능해야 하는데, 본 연구에서 도입된 CPE-K는 페로브스카이트 전구체 용액과의 우수한 습윤성 때문에 균일한 페로브스카이트 결정의 형성을 가능하게 한다.

ㅇ 이와 더불어 CPE-K의 페로브스카이트 광활성층으로부터 투명전극으로의 효과적인 정공 수송 능력과 pH중성 특성 때문에 PEDOT:PSS를 정공 수송층으로 사용하였을 때보다 향상된 소자 효율과 수명을 보인다.

ㅇ 본 연구를 통하여 제시된 공액고분자 전해질 정공 수송층 재료는 최근에 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 소자수명 향상을 위한 소재/소자 개발 연구에 박차를 가하는 계기가 될 것으로 사료된다.

ㅇ 현재 본 연구의 후속연구로써 다양한 종류의 공액고분자 전해질을 페로브스카이트 태양전지의 정공 수송층으로 사용하여 소자 효율 및 수명을 향상시키는 것은 물론 공액고분자 전해질의 특성과 소자 효율/수명과의 상관관계를 밝히는 연구를 진행하고 있다. 

3. 기대효과

ㅇ 본 연구에서 도입한 공액고분자 전해질은 pH중성, 저온 용액 공정 가능, 우수한 정공수송 능력 등 많은 장점을 가지고 있어 차세대 정공 수송층 소재로써 플렉서블 및 대면적 소자에 적용이 가능할 것이다.

ㅇ 본 재료는 유기-페로브스카이트 적층형 태양전지의 중간층 재료로도 사용이 가능하여 페로브스카이트 태양전지 관련 분야의 핵심적인 소재가 될 것으로 기대된다. 

[붙임] 연구결과문답

1. 이번 성과 뭐가 다른가

반전된 구조의 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 및 장수명화를 위해 정공수송층이 가져야 할 특성인 페로브스카이트 전구체 용액과의 호환성, pH중성, 우수한 정공수송능력, 저온 용액 공정성을 모두 갖춘 정공수송층 물질인 공액 고분자 전해질을 개발한 것은 매우 중요한 성과임.

2. 어디에 쓸 수 있나

저온 용액 공정이 가능한 박막태양전지, 발광다이오드, 트랜지스터와 같은 광전자소자 분야에 응용될 수 있음. 

3. 실용화까지 필요한 시간은

페로브스카이트 태양전지의 소자안정성 문제만 해결된다면 실용화가 가능할 것으로 생각되므로 앞으로 10년 후 정도 가능할 것으로 예상됨. 

4. 실용화를 위한 과제는

페로브스카이트 태양전지의 소자 안정성 문제 해결이 실용화를 위한 최우선 과제임. 이를 위해 산소 및 수분에 강한 페로브스카이트 반도체를 개발하거나 capping 물질을 도입하는 것이 요구됨.

5. 연구를 시작한 계기는

반전된 구조의 페로브스카이트 태양전지의 문제점 중에 하나인 정공수송층 부족 문제를 해결하고자 2년 전부터 금속산화물을 비롯한 다양한 정공수송층 물질을 개발하는 연구를 진행하였다. 그러는 동안 고분자태양전지에서 우수한 정공수송 능력을 보이고 pH중성인 공액 고분자 전해질을 페로브스카이트 태양전지에 도입해보자라는 아이디어에서부터 연구를 시작하였음.

6. 에피소드가 있다면?

연구를 진행하기 전, 극성용매에 잘 녹는 공액 고분자 전해질이 극성용매로 이루어진 페로브스카이트 전구체 용액를 위에 코팅할 경우 제거될 거라고 모두가 예상하였지만 이론과 실제는 다를 수 있다는 생각으로 시도해보았기 때문에 지금의 성공적인 결과를 얻을 수 있었음.  

7. 꼭 이루고 싶은 목표는?

페로브스카이트 태양전지의 효율은 20%에 도달하였고 이제는 소자수명 문제만 남아있다. 이 문제를 해결하여 실리콘 태양전지를 대체하는 차세대 태양전지 상용화에 이바지 하고 싶음.

8. 신진연구자를 위한 한 마디

본 연구성과는 기존 고분자 태양전지에 사용되었던 공액 고분자 전해질을 페로브스카이트 태양전지에 적용하면서 얻을 수 있었다. 그리고 이론적으로 확신할 수 없는 부분을 직접 실험으로 진행하였기 때문에 이룰 수 있는 성과였다. 자신의 연구분야가 아니더라도 깊은 관심을 갖고 여러 방면으로 시도해보는 실험정신이 있다면 우수한 연구성과를 얻을 수 있을 것임.

[붙임] 용어설명

1. 네이처 커뮤니케이션 (Nature Communications)지

○ 세계 최고 과학학술지인 네이처(Nature)의 대표 자매지중 하나로 생물과학, 화학, 물리과학 등의 연구논문을 수록하는 종합과학 온라인 저널.

2. 페로브스카이트(Perovskite)  

○ ABX₃ 화학식을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 화합물.

○ 페로브스카이트 결정은 화학적으로 합성이 가능하고 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있음. 

3. 반전된 구조의 페로브스카이트 태양전지(Inverted-type perovskite solar cell; ipero-SC)

○ 페로브스카이트를 광활성층으로 이용하여 빛을 흡수하여 광에너지를 전기에너지로 변환시키는 소자.

○ 투명전극/정공수송층/페로브스카이트/전자수송층/금속전극의 구조를 가짐.

○ 투명전극 위에 정공수송층을 갖는 반전된 구조의 태양전지는 고온의 열처리과정이 필요한 금속산화물을 전자수송층으로 도입하지 않아도 되므로 저온 용액공정이 용이하여 플렉서블 소자에 적용이 가능함.

4. 공액 고분자 전해질 (conjugated polyelectrolyte)

○ 탄소-탄소 간의 단일-이중결합이 순차적으로 반복되는 구조(공액구조)로 인해 반도체적인 전기전도성을 보이며 가시광 영역대의 흡수 및 발광 특성을 갖는 공액고분자에 이온그룹을 갖는 곁사슬을 도입한 이온성 공액고분자.

○ 이온그룹으로 인해 물이나 알코올과 같은 극성용매에 높은 용해도를 가짐.

5. 정공 수송층 (hole transport layer)

○ 반전된 구조의 태양전지에서 광활성층으로부터 분리된 정공을 투명전극으로 수송시켜주는 층을 말함.

○ 정공 수송층은 높은 광투과도를 가져야 투명전극으로부터 입사되는 광을 광활성층으로 효율적으로 전달할 수 있음.

○ 그리고 우수한 전하수송능력을 가져야 전하 재결합 손실을 최소화하여 높은 광전환효율을 얻을 수 있음.

[붙임] 그림설명