[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

태양전지는 무한한 청정 태양에너지를 인류가 사용할 수 있는 유용한 에너지원으로 변환할 수 있는 가장 효율적인 방법이다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용되는 결정질 실리콘 태양전지는 높은 효율을 가지만, 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요해 가격이 비싸다는 문제점이 있다. 낮은 가격으로 제작 가능해 많이 연구됐던 유기 및 염료감응 태양전지 등은 여전히 효율이 낮아 대규모로 상용화하기 어렵다.

2012년부터 본격 연구된 ‘무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지’는 짧은 역사에도 불구하고 상용화된 실리콘 태양전지와 박막형 태양전지의 효율에 근접하는 성능을 보이고 있다. 본 연구 그룹은 페로브스카이트 태양전지 연구를 선도적으로 수행해 2013년 Nature Photonics 지에 “무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플렛폼 구조 기술”과 2014년 Nature Materials 지에 “극도로 균일한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막 제조 용액 공정 기술”, 2015년 Nature 및 Science 지에 “고효율 페로브스카이트 태양전지 제조 기술”을 보고하며 광전변환효율을 3번 연속 갱신했다. (※ 16.2%, 17.9%, 20.1%). 3개월 전인 2017년 3월 30일에는 페로브스카이트 태양전지의 광안정성을 획기적으로 올릴 수 있는 광전극 소재를 신규로 합성하는 방법을 개발하여 Science 지에 게재한 바가 있다.

여기서 효율을 더 높이려면 새로운 기술이 더 개발돼야 한다. 특히 광활성 소재로 활용하는 할로겐화물 소재의 내부 결함을 줄이는 방안은 태양전지 내부의 손실을 최소화할 가장 중요한 기술 중 하나다. 하지만 관련 연구가 미비했고 실제 고효율 소자에 적용시키는 것도 큰 과제였다. 이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 효율을 더 높일 새로운 방안으로, 페로브스카이트 할로겐화물의 내부 결함을 줄이기 위해 요오드화 이온의 형태를 제어하는 방안을 도출했다. 또 이를 실제 소자에 적용해 세계 최고의 공인된 인증 효율인 22.1%의 광전변환효율을 구현했다.

2. 연구내용

본 연구진은 결정 구조가 안정하면서 동시에 고효율을 달성할 수 있는 페로브스카이트 소재로 CH(NH2)2PbI3(Formamidinium lead iodide, FAPbI3) 기반에 CH3NH3PbBr3(Methylammonium lead bromide, MAPbBr3)를 부분 치환한 조성을 설계해 2015년 Nature 지에 보고했다. 이 조성의 소재를 치밀하고 균일한 고품질 박막화 방안으로 ‘화학분자상호교환법’을 개발해 같은 해 Science 지에 보고했다. 이를 통해 20.1%의 세계 최고 인증 효율을 보고할 수 있었다. 추가적 효율 향상을 위해 본 연구진은 화학분자상호교환법을 이용해 페로브스카이트 할로겐화물 박막을 만들 때 박막 내부의 결함 농도를 줄일 수 있는 방안을 개발했다.

페로브스카이트 할로겐화물 내부에 생기는 결함의 종류와 형성 에너지, 결함의 에너지 준위에 대한 연구는 아직 불완전하다. 하지만 태양전지에 사용되는 광활성층 소재 내부에 생긴 결함이 전자와 정공이 다시 결합(recombination)하는 영역(site)으로 작용할 수 있고, 이것이 광전에너지 변환효율을 낮추는 손실로 이어진다고 알려졌다. 따라서 할로겐화물 박막 내부의 결함을 제어하는 게 페로브스카이트 태양전의 효율을 높이는 데 매우 중요한 과제였다.

현재까지 보고된 내용으로 본 연구진은 FAPbI3 박막 형성 시 요오드(I) 이온이 부족하면 결함이 생긴다고 추정했다. 이러한 결함은 요오드 이온을 추가함으로써 쉽게 제거된다고 예상됐지만 단순하게 요오드 이온을 더 넣는다고 해서 결함을 없앨 수 없었다. 이 문제를 해결하기 위해 본 연구진은 화학분자상호교환 공정에서 ‘형태를 조절한 요오드 이온’을 추가해 페로브스카이트 할로겐화물 박막을 만들었다. I2 분자를 아이소프로파놀(isopropyl alcohol, IPA)에 용해시킨 액은 초기 I2분자와 I-이온으로 대부분 존재한다. 하지만 이를 70℃에서 일주일간 반응시키면 대부분 I3-로 형성된다. (그림1 왼쪽) 이렇게 형성된 I3- 이온 용액을 화학분자상호교환 공정에서 유기할로겐화물 용액(FAI 용액)에 첨가해 박막을 제조했다. 이렇게 생성된 할로겐화물 박막을 이용해 태양전지를 만들자 3mmol의 I3- 이온을 첨가한 경우 가장 높은 효율을 보였다. (그림1 오른쪽)

이렇게 형성된 박막으로 만든 태양전지의 효율이 높아진 원인을 찾기 위해 박막 내부의 결함 농도와 결함의 에너지 준위를 측정하는 분석(DLTS)을 한양대학교와 공동으로 진행했다. 그 결과 페로브스카이트 할로겐화물 밴드갭 중간 정도의 에너지 준위에 위치한 결함의 농도가 획기적으로 감소한 것으로 나타났다. 내부 결함은 태양빛을 받아 분리된 전자와 정공을 다시 결합시킴으로써 광전에너지 변환 손실을 유도할 수 있다. 그러므로 결함이 생기지 않다록 조절한 태양전지에서 효율이 높아지는 것이다.

내부 결함을 줄인 페로브스카이트 할로겐화물 박막을 이용해 태양전지를 만들자 높은 효율 재현성을 보였다. 이때 공인된 효율은 22.1%로 페로브스카이트 태양전지의 세계 최고 효율로 이번 논문을 통해 보고됐다. 특히 이 기술을 적용해 1㎠ 면적으로 더 크게 만든 소자도 19.7%라는 효율을 나타내 세계 최고 공인 효율로 기록됐다.

3. 기대효과

이번 연구에서는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 고효율화를 위해 페로브스카이트 할로겐화물 박막의 내부 결함을 획기적으로 줄일 수 있는 방안을 도출했다. 또 이 기술을 실제로 구현해 소자를 제작함으로써 세계 최고 효율의 페로브스카이트 태양전지 소자 및 소재 기술을 확보하게 됐다.

이는 기존 상용화된 단결정 실리콘 태양전지나 박막형 태양전지의 광전 변환 효율과 유사한 결과로, 차세대 태양전지의 상용화 기술 도출을 위한 활용이 기대된다. 또한 개발된 할로겐화물의 내부 결함 제어 방법은 고품질 할로겐화물 박막의 제조에 활용돼 물질의 광전기적 특성과 소자 특성을 제어하는 방법으로 관련 분야의 학문 발전에도 크게 활용될 것으로 기대된다.

[붙임] 연구 이야기

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존의 페로브스카이트 태양전지 효율 향상은 소자 구조, 조성 개발, 공정 개발로 이뤄졌다. 이번에는 할로겐화물 내부 결함을 제어함으로써 세계 최고 효율을 구현할 수 있었다.

□ 어디에 쓸 수 있나?

고효율‧저가격 태양전지 제조에 활용될 수 있다. 향후 태양전지를 대면적으로 연속해 만들 수 있는 상용화 기술과 결합시키면 경쟁력 있는 신재생 에너지 기술에 다양하게 활용 가능하다. 

□ 어디에 쓸 수 있나?

페로브스카이트 태양전지를 넓은 면적에 대량으로 생산할 상용화 공정 개발이 필요하다.

□ 산업적, 경제적 파급효과는?

신기후변화 경제 체제로의 전환에 꼭 필요한 미래 태양전지 기술로 상용화를 위한 기술 성숙이 된다면 큰 파급효과가 기대된다.

□ 신진연구자를 위한 한마디

기존 기술과 새로운 기술을 접목할 유연하고 창의적인 사고가 세상을 바꿀 길을 열 수 있다.

[붙임] 용어 설명

1. 사이언스(Science)

미국에서 발행되는 세계 최고의 권위와 높은 영향력 지수를 가진 융합기술 분야 전문 학술지(2016년도 SCI 피인용지수: 37.205)

2. 페로브스카이트(perovskite)

○ 천연광물인 CaTiO3와 같은 결정 구조를 갖고 있는 AMX3 화합물에 대해 러시아 과학자인 페로브스키의 이름을 붙여 페로브스카이트 화합물이라고 부른다. 여기서 A, M은 금속 양이온이고 X는 할로겐화물(halide) 또는 산화물(oxide)을 포함하는 음이온이다.

○ AMX3 구조는 정육면체 단위격자의 꼭짓점에 크기가 큰 양이온(A)이 있고(8×1/8) 가운데 크기가 A에 비해 상대적으로 작은 양이온(M)이, 각 면 중앙에 음이온(X)이 존재하는(6×1/2) 구조다. 페로브스카이트는 A와 B, X에 어떤 원자(또는 작용기) 가 있느냐에 따라 수백 가지 종류가 알려져 있다. 압전, 유전 등 다양한 특성을 가지고 있기에 산업적으로도 널리 활용되고 있는 물질이다.

○ 이번 연구에서 페로브스카이트는 A자리에 유기물인 포름아미디니움 (Formamidinium)이 위치하고 M자리에 납(lead), X자리에 할로겐화물 (halide)가 자리 잡은 무기물과 유기물이 화학적으로 결합된 화합물이다.

[붙임] 그림 설명