[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 2012년 초 부터 페로브스카이트 태양전지 연구를 선도적으로 수행하여 왔으며, 2012년에 투고된 Nature Photonics 지에 오늘날 연구의 모형이 된 새로운 “무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플렛폼 구조 기술”과 2014년 Nature Materials 지에 “극도로 균일한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막 제조 용액 공정 기술”, 보고 하며 세계의 페로브스카이트 태양전지 기술을 선도하여 왔다. 특히, 현재 고효율/고내구성 페로브스카이트 태양전지 제조에 사용하는 페로브스카이 소재는, 본 연구그룹이 2015년 Nature 지에 보고한 CH(NH2)2PbI3(Formamidinium (FA) lead iodide, FAPbI3) 기반에 CH3NH3PbBr3(Methylammonium lead bromide, MAPbBr3)를 부분 치환한 조성을 사용하여 왔다. 하지만, 이 소재는 내구성이 낮은 CH3NH3(MA) 양이온과 밴드갭이 넓어져 광흡수에 불리한 Br 이온을 포함하고 있다. 따라서 소위 MA-free, Br-free한 새로운 조성을 찾기 위한 여러 노력이 있었지만, 우수한 결과를 얻지는 못하였다. 본 연구에서는 FA와 이온 반경이 유사한 2가의 유기 양이온을 첨가하는 방법으로 이 문제를 해결 할 수 있었다

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. 본 연구진에 의해 보고된 위 연구들은 각각 3500번 (Nature지), 4000번 (Science지) 이상 인용되며 태양전지로 사용되는 페로브스카이트 물질의 대표 소재로 사용되어왔다. 추가적 효율 향상을 위해 본 연구진은 태양광의 흡수 파장대역을 넓혀 광전류 밀도를 증가시키는 새로운 소재 제조 기술을 개발했다.

태양전지로 사용되는 페로브스카이트 할로겐화물 물질에서 가장 각광받고 있는 소재는 FAPbI3 이다. 이는 태양광 흡수에 적합한 밴드갭(band-gap), 높은 열 안정성을 가졌기 때문이다. 하지만 FAPbI3 는 상온에서 낮은 상안정성 때문에 이를 보완할 수 있는 안정제를 넣어야 했다. 이를 해결하고자 FAPbI3 를 MAPbBr3 로 부분 치환한 것이 본 연구진이 앞서 Nature 지에 보고했던 연구의 주된 내용이다. 위 조성은 FAPbI3의 상을 효과적으로 안정화하여 페로브스카이트 태양전지에 가장 많이 쓰이는 조성이 되었다. 하지만, 위 조성에 들어가는 메틸암모늄 (MA)는 열에 불안정하고, 브로민 (Br)은 원치 않는 밴드갭 변화를 가지고 와, 태양광 파장대역을 감소시킬 수밖에 없었다. 따라서 FAPbI3의 밴드갭 변화를 최소화하면서 안정한 페로브스카이트 소재 개발은 매우 중요한 과제였다.

현재까지 보고된 내용으로 본 연구진은 FAPbI3 의 상을 안정화시키는 요소 중 하나는 유기 (organic) 물질에서 질소 (N)과 결합하고 있는 수소 (H) 원자와 요오드 (I-) 이온에 의한 수소결합이 큰 기여를 한다고 추정했다. 이 수소결합은 유기 물질의 수소 이온의 개수에 좌우되는 것으로, 더 많은 수소 원자를 가진 유기 물질을 사용한다면 FAPbI3 의 상을 안정화 시킬 수 있었다. 이에 본 연구진은 메틸렌다이암모늄 (CH2(NH3)2, Methylenediammonium, MDA) 라는 2가의 유기 양이온을 사용하였다. MDA는 FA와 크기가 비슷하여 FA 자리에 부분 치환되며 FA 그리고 MA 보다 많은 수소 원자를 가지고 있어 FAPbI3 의 상을 효과적으로 안정화 시켰다. 이에 따라 광대역 확장에 따른 광 흡수 효율 향상 외에도 기존 소재에 비하여, 열, 광 및 수분 안정성이 크게 향상되었다.

3. 기대효과  

이번 연구는 기존에 사용하던 조성과 완전히 다른 새로운 조성의 소재로 태양광의 흡수 파장대역을 넓게 하여 광전류 밀도를 세계 최고로 증가시키면서, 열/광/수분 안정성도 크게 향상된 소재 제조 기술이다. 조만간 실리콘 태양전지의 효율을 뛰어넘을 수 있는 ‘소재 기술’이라 연구의 의미가 높다.

[붙임] 그림설명

그림. 1 (A) 본 연구에서 제조한 소재와 기존 소재 사이의 파장에 따른 양자 효율 비교. MDA를 첨가한 전지의 태양광 흡수 파장영역대 증가했다. (b) 광 전류 밀도 증가를 보이는 J-V 커브

그림 2. 기존 소재와 본 연구에서 제조한 소재로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 안정성 비교. (A) 수분 안정성, (B) 열 안정성, (C) 광 안정성