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고효율 태양전지 재료로 최근 주목 받고 있는 ‘페로브스카이트(Perovskite)’*의 고유 물성 분석과 유연성을 극대화하는 태양전지 설계를 통해, 접는 수준이 가능한 페로브스카이트 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 이제 태양전지를 접어 주머니에 넣어 다니다 원하는 때에 펼쳐 쓰는 날이 가까워지고 있다. |
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*페로브스카이트(Perovskite): ABX3의 결정구조를 갖는 물질이다. 현재 페로브스카이트 구조를 가진 유기금속 할로젠 화합물이 우수한 광학 및 전기적 특성을 보여 태양전지와 발광소자 둥 광전자소자의 활성재료로 사용된다 |
UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 김주영‧송명훈 교수 공동연구팀은 접을 수 있을 정도로 유연한 ‘페로브스카이트 태양전지**(Perovsktie Solar Cell, 이하 PeSC)’를 개발했다. 공동연구를 통해 태양전지 구성 재료인 페로브스카트 박막의 정확한 물리적 특성 분석과 유연성 극대화를 위한 기판과 투명 전극 디자인을 적용한 결과다. PeSC는 낮은 생산 비용과 높은 효율로 차세대 태양전지로서 주목받고 있다. 또한 실리콘 태양전지와 달리 전극 및 기판 소재 변경을 통해 쉽게 유연화가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 기존 PeSC 연구는 유연성 향상보다는 효율 향상에 집중되어 있어, 현재 PeSC의 유연성은 말 수 있는(rollable) 수준에 그쳐있다. |
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**페로브스카이트 투명전지: 투명한 유리나 폴리머 기판 위에 빛을 투과하는 투명 전극, 정공을 수송하는 정공수송층, 빛을 받아 전자·정공쌍을 만드는 페로브스카이트 광활성층, 전자를 수송하는 전자수송층, 후면 금속 전극으로 구성된다. |
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이번 연구는 태양전지의 유연성 예측이 가능할 정도로 정확한 페로브스카이트 박막의 물리적 특성 분석과 기판, 투명전극 소재 최적화를 통해 PeSC를 접을 수 있는 수준(foldable)까지 유연성을 극대화 하여 주목을 받고 있다. PeSC의 광활성층인 페로브스카이트 박막의 정확한 물리적 특성(파단강도, 탄성계수)분석은 유연한 PeSC를 만들기 위한 선결조건이다. 하지만 기존의 페로브스카이트 박막 물성 분석은 실제 전지에서와 다른 조건의 박막을 이용하거나 간접적인 물성 분석법을 이용하고 있어, 실제 PeSC에서 페로브스카이트 박막의 정확한 유연성 예측이 힘들었다. 반면 이번 연구에서는 실제 PeSC에서와 동일한 조건의 페로브스카이트 박막에 대한 직접적인 단축 인장 실험으로 정확한 물리적 특성을 측정하였고, 이를 토대로 정확한 태양전지 유연성 예측이 가능해졌다. |
또한 이번 연구에서는 페로스카이트 박막 외에 다른 태양전지 구성층들의 물리적 특성을 분석하여 유연성이 극대화된 태양전지를 설계하였다. PeSC의 유연성을 제한하는 기존 금속산화물 투명전극을 유연한 초박막 금속 투명전극으로 바꾸고, 고분자 기판의 두께를 15μm까지 줄인 결과 새로운 유연 PeSC는 접는 수준과 같은 1.0 ㎜ 곡률 반경에서 1000회의 굽힘 후에도 태양전지 광전 변환 효율을 유지했다. 공동연구팀의 김주영 교수는 “이번 연구로 PeSC의 유연성을 정확하게 예측하고 이를 극대화할 수 있게 됐다”며 “다양한 조건의 페로브스카이트 박막의 물성 분석 결과를 활용하여 PeSC의 유연성뿐 아니라 광전 변환 효율 또한 향상 시켜나갈 계획”이라고 밝혔다. 또한 송명훈 교수는 “PeSC 유연성 극대화 연구를 통해 PeSC의 활용성을 웨어러블 디바이스 등에 확대시키면 우리 실생활에 더 가까운 태양전지 기술이 될 수 있을 것”이라고 기대했다. 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 23일(목요일)일 온라인 속보로 공개됐으며, 안승민 박사후 연구원, 정의대 석박사통합과정 연구원이 1저자로 참여했다. 연구 지원은 멀티스케일에너지시스템연구단(글로벌프론티어사업, 단장 서울대 최만수), 전략구조소재 신공정 설계연구센터(ERC, 센터장 서울대 한흥남) 및 고효율(≥25%) 결정질 Si/Perovskite 모노리식 텐덤 태양전지 기술개발 연구과제 (신재생에너지핵심기술개발사업, 연구책임자 UNIST 송명훈)을 통해 이뤄졌다. * 논문명: Nanomechanical Approach for Flexibility of Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Solar Cells |
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경최근 태양전지 시장은 건물일체형태양전지(BIPV), 차량일체형태양전지(VIPV) 등으로 곡면에 적용 가능한 유연 태양전지 수요가 증가하고 있다. 기존 실리콘 태양전지는 유연화가 힘들기 때문에 CIGS 태양전지, 유기 고분자 태양전지, 페로브스카이트 태양전지와 같은 박막형 태양전지에서 유연 태양전지 연구가 활발히 이루어지고 있으며 유연성 증가에 따라 레저용, 군사용, 우주용 태양전지로도 그 활용 폭이 넓어질 것으로 예상되고 있다. 유기금속 할로젠 화합물 기반의 페로브스카이트 소재는 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 유·무기 복합 소재로서 높은 흡광 능력, 쉬운 밴드갭(band gap) 조절, 뛰어난 전기적 특성 등으로 차세대 태양전지 광흡수층 재료로 각광받으며 현재 20% 이상의 고효율 페로브스카이트 태양전지가 보고되고 있다. 이에 따라 유연 고효율 태양전지를 위한 유연 페로브스카이트 태양전지 연구도 활발해졌다. 그러나 지금까지는 실제 페로브스카이트 태양전지에 이용되는 결정질 박막인 페로브스카이트의 물성에 대한 정확한 연구가 부족했다. 결정질 박막인 페로브스카이트는 페로브스카이트의 조성, 결정립의 모양 및 크기 등에 영향을 받는데 페로브스카이트 박막이 얇고 수분, 산소에 취약하여 정확한 물성분석이 어려웠기 때문이다. 따라서 측정된 페로브스카이트 박막의 물성이 실제 페로브스카이트 태양전지의 유연성과 맞지 않아 페로브스카이트 태양전지의 정확한 유연성 예측 및 향상이 어려웠다. 이번 연구에서는 ①페로브스카이트 박막의 정확한 물성 분석과 함께 박막 조건 변화에 따른 물성 변화를 관찰하고, ②페로브스카이트 태양전지 소자의 유연성을 극대화하는 디자인을 적용했다. 그 결과 페로브스카이트 태양전지의 정확한 유연성 예측과 향상이 가능해졌다. 2. 연구내용이번 연구에서는 PeSC에서와 동일한 조건의 페로브스카이트 박막에 기존 연구와 달리 ‘홀-나노인덴테이션(hole-nanoindentation)’에 그치지 않고 ‘일축인장실험’을 통해 정확한 페로브스카이트 박막의 물성을 분석해냈다. 재료의 양 끝을 고정하고 한쪽 방향으로 힘을 가해 당기면서 변형에 대한 저항력을 평가하는 일축인장실험을 통해 페로브스카이트 박막의 정확한 ‘파단강도’ 및 ‘탄성계수’를 구할 수 있었다. 또한 결정질 박막인 페로브스카이트 박막의 페로브스카이트 조성, 결정립 크기를 조절함에 따른 물성 변화까지 분석 및 해석하였다. 유연 페로브스카이트 태양전지의 유연성을 극대화하는 연구도 진행했다. 유연 페로브스카이트 태양전지의 유연성에 문제를 일으키는 금속산화물 투명전극을 초박막 금속 투명전극으로 대체하고 유연 고분자 기판의 두께를 최소화하여 유연성을 극대화하였다. 기존의 금속산화물 투명전극은 딱딱한 결정질 구조로 8 mm의 곡률반경에서 굽힘에도 10배 이상의 저항 증가를 보였지만 초박막 금속 투명전극은 높은 유연성으로 0.5 mm의 곡률반경의 굽힘에도 저항증가가 없었다. 굽힐 때 소자 표면에 발생하는 응력을 최소화하기 위해 고분자 기판의 두께도 기존의 100μm 이상의 두께에서 15μm로 최소화 했다. 이는 기존의 말 수 있는 수준에서 접을 수 있는 수준으로 페로브스카이트 태양전지의 유연성을 증가시키는 결과로 이어졌다. 이번 연구의 페로브스카이트 물성 분석이 정확함을 유연 페로브스카이트 태양전지의 유연성 분석을 통해 다시 확인되었다. 페로브스카이트 박막의 물성 값을 통한 유연 페로브스카이트 태양전지의 한계곡률반경이 기존의 홀-나노인덴테이션 방법으로 측정을 통해서는 0.217 mm이 예상되었지만 이번 연구의 일축인장실험을 통해서는 0.66 mm이 예상된 것이다. 실제로 제작된 유연 페로브스카이트 태양전지의 유연성 분석에서 0.5 mm의 곡률반경에서 반복적인 굽힘 후에 태양전지의 효율이 감소되는 것이 확인되었고 이를 통해 일축인장실험을 통한 페로브스카이트 박막의 물성 분석 값이 정확함이 다시 한번 확인된 것이다. 이번 연구를 통해 다양한 조건의 페로브스카이트 박막의 물성을 정확히 분석하였고 이를 통해 유연 페로브스카이트 태양전지의 유연성을 극대화할 뿐 아니라 유연성을 정확히 예측할 수 있게 되었다. 3. 기대효과다양한 페로브스카이트 박막 조건에 대한 정확한 물성 분석이 가능하고 이를 통한 유연 페로브스카이트 태양전지의 정확한 유연성 예측이 가능하여 유연성이 향상된 유연 페로브스카이트 태양전지를 제작하는데 도움이 될 것으로 기대된다. 특히 유연성이 크게 향상돼 페로브스카이트 태양전지의 활용 범위가 레저용, 군사용, 우주용 태양전지로 넓어질 것으로 보인다. 또 페로브스카이트 태양전지 효율 향상을 위한 페로브스카이트 박막 조건 변화에도 정확한 물성 분석을 통해 유연성 예측이 가능하다는 점에서 유연 태양전지의 유연성 손실 없이 효율을 향상 시킬 수 있는 길을 제시하였다는데 큰 의미가 있다. |
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[붙임] 그림설명 |
그림1. 유연 페로브스카이트 태양전지(PeSC) 이미지: 유연 폴리머 기판 위에 형성되어 매우 얇은 태양전지의 유연함을 확인할 수 있다. 
그림2. 페로브스카이트 인장시험 과정(왼쪽)과 각층별 물성에 따른 한계 곡률 반경 (중간), 곡률 반경 및 횟수에 따른 태양전지 효율 변화 (오른쪽): 페로브스카이트 박막 인장 실험을 통해 1.17%의 인장에서 Failure가 발생함을 확인. 정확한 물성분석을 통해 유연 PeSC의 한계 곡률 반경이 0.66 mm로 예측됨. 실제 유연 PeSC의 특성 분석을 통해 예측된 한계 곡률 반경 값이 실제와 일치함을 확인함. |
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