^*그래핀: 탄소원자 육각형 벌집모양으로 배열돼 있는 2차원 물질. 높은 전기전도도, 기계적 강도 등으로 인해 차세대 소재로 꼽힌다.

^*페로브스카이트 태양전지: 페로브스카이트는 두 종류의 금속 양이온과 한 종류의 할로겐원소 음이온이 결합해 만들어진 3차원 결정 구조를 갖는 물질로, 광전효율이 높고 유연한 성질을 가져 다양한 분야에 활용할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지는 전하를 만들어내는 ‘광활성층’으로 페로브스카이트를 사용한 태양전지이다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

페로브스카이트 태양전지(Perovskite solar cells, PSCs)1)는 제조단가가 매우 저렴하고 높은 효율이 보고됐으며, 기계적 내구성도 높아 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 기존 투명전극으로 사용되는 인듐주석산화물(Indium Tin Oxide, ITO)은 기계적 취약성으로 인해 고효율 유연 페로브스카이트 태양전지에 적용하기 어려워, 유연하면서도 광투과도가 높고 전기 전도도가 우수한 새로운 투명전극이 필요한 상황다.

금속 기반 투명전극은 광투과도와 전기 전도도가 높고, 기계적 내구성이 우수해 ITO를 대체할 가능성을 연구한 결과가 많았다. 하지만 지금까지 보고된 금속 기반 투명전극을 사용한 페로브스카이트 태양전지는 효율이 낮고 안정성도 저조했다. 이때 문제점으로 지목되는 ‘금속-유도 분해 현상’2)은 금속 기반 투명전극을 사용한 페로브스카이트 태양전지의 성능이 충분히 발현되는 데 큰 걸림돌이 됐다.

그래핀3)은 2차원 물질로서 높은 광투과도와 전기 전도도, 우수한 기계적 내구성과 함께 수분이나 입자들을 투과하지 못하게 하는 불침투성을 포함한 다재다능한 물성을 가진다고 알려졌다. 이러한 물성을 가진 그래핀을 금속 기반 투명전극과 페로브스카이트 층 사이에 삽입하면, 높은 전하수송(carrier mobility)능력은 갖추면서도 할로겐 이온들과 금속 입자의 이동을 막아 ‘금속-유도 분해 현상’을 해결할 수 있을 것으로 기대됐다. 게다가 빛의 투과를 크게 막지 않으면서도 유연성이 좋아 ITO전극과 달리 웨어러블 소자에도 적용 가능하다.

 2. 연구내용  

본 연구진은 그래핀 중간층을 금속 기반 투명전극과 페로브스카이트 층 사이에 삽입해 페로브스카이트 태양전지의 ‘금속-유도 분해 현상’ 문제를 해결했다. 그래핀의 우수한 불침투성은 페로브스카이트 층의 할로겐 이온 이동과 전극의 금속 입자들이 이동하는 것을 충분히 억제할 수 있었으며, 이로 인해 페로브스카이트의 효율과 안정성을 크게 높일 수 있었다.

또 그래핀 중간층을 삽입한 금속 투명전극 기반 페로브스카이트 태양전지는 그래핀의 우수한 광투과도와 전기전도도 및 유연성으로 인해 16.4%의 광전변환효율4)을 기록함과 동시에 5,000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 94%를 유지했다.

이렇게 개발된 고효율 유연 페로브스카이트 태양전지는 1,000시간이 지나도 초기 효율의 94%를 유지했다.

3. 기대효과 

그래핀 중간층 삽입 방법은 높은 광투과도와 높은 전기 전도도와 불침투성 및 기계적 유연성을 보유하고 있어 고성능 및 고유연 페로브스카이트 태양전지 제작이 가능하다. 이러한 연구 결과는 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트 기반의 LED, 스마트 센서 등 다양한 차세대 유연 페로브스카이트 소자개발에도 활용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells, PSCs)

페로브스카이트는 두 종류의 금속 양이온과 한 종류의 할로겐 원소 음이온이 결합해 만들어진 3차원 결정 구조를 갖는 물질로, 광전효율이 높고 유연한 성질을 가져 다양한 분야에 활용할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지는 태양광을 받아 자유전자를 생산하는 광활성층으로 페로브스카이트 소재를 사용한 전지로써, 보통 투명전극/전하 수송층/광활성층/전하수송층/전극을 기본 구조로 제작한다.

2. 금속-유도 분해 현상

페로브스카이트 광활성층의 할로겐 원소들은 금속과 만나면 산화-환원 반응으로 인해 금속할로겐화물을 만들어내고, 이때 금속을 분해하는 반응이 동시에 일어나 금속의 전기 전도도를 저하되는 문제가 발생한다. 더불어 분해된 금속은 페로브스카이트 광활성층으로 이동해 페로브스카이트의 할로겐 원소들과 화학반응을 함으로 페로브스카이트 광활성층을 분해해 태양전지 성능을 저하하는 현상이다.

3. 그래핀(Graphene)

탄소 원자가 육각형 구조를 이루는 원자 두께의 한 층의 물질. 우수한 광학적, 전기적, 기계적 내구성, 불침투성 등을 갖고 있다.

4. 광전변환효율

광전변환효율은 입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기 에너지의 비율로 빛을 전기로 전환하는 비율을 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림1. 개발된 금속 기반 하이브리드 투명전극(GCEP) 플랫폼 (A) 금속 기반 하이브리드 투명전극 제작 공정 모식도 (B) 높은 광투과도로 인한 금속 기반 하이브리드 투명전극의 투명도 (C) 유연한 금속 기반 하이브리드 투명전극의 모습

그림2. 금속 기반 하이브리드 투명전극을 이용한 페로브스카이트 태양전지와 효율 (A) 금속 기반 하이브리드 투명전극을 이용한 페로브스카이트 태양전지 모식도 (B) 광전변환효율(빨간선)

그림3. 금속 기반 하이브리드 투명전극을 이용한 페로브스카이트 태양전지 안정성: 금속 기반 하이브리드 투명전극을 이용한 페로브스카이트 태양전지는 불활성 기체 안의 글러브 박스 환경에서 1000시간에도 안정한 효율(빨간선)을 보였으며(A), 지속적으로 광을 조사해주는 광 안정성(B) 및 연속적으로 100℃의 온도를 가해주는 열 안정성(C)에서도 안정적으로 효율(빨간선)이 유지되는 것을 확인할 수 있다.