Press release

2020. 9. 22 (화) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

‘스프레이 방수 선크림’으로 태양전지 보호한다!

UNIST 연구진, 물·자외선으로부터 태양전지 보호하고 효율 높이는 코팅 개발
저렴하고 간편한 스프레이 코팅방식으로 가격 경쟁력·범용성 확보 … AEM논문 게재

페로브스카이트 태양전지를 수분으로부터 보호하고, 전지 노화를 일으키는 자외선을 차단해 유용한 가시광선으로 바꾸는 13조의 기술이 개발됐다. 완성된 전지에 이 물질을 간단히 코팅하는 방식이라 기존 제조공정을 바꾸지 않으면서 전지 종류에 관계없이 쓸 수 있다.

*페로브스카이트 태양전지: 두 개의 양이온(A, B)과 하나의 음이온(O)이 결합된 ABO3 구조를 지니는 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 활용하여 태양광으로부터 전류를 생산하는 태양전지의 한 종류이다.

 

UNIST(총장 이용훈) 권태혁·서관용·장성연 교수팀은 수분은 막아내면서 자외선을 가시광선으로 바꾸는 다기능성 페로브스카이트 전지 코팅재료와 코팅 방식을 개발했다. 물을 밀어내는 성질(발수성)을 강화한 유기금속을 초음파 스프레이 방식으로 전지에 입힌 것이다. 이를 통해 페로브스카이트 태양전지가 갖는 고질적 문제(수분 취약성)를 해결하고 전지 효율도 높였다.

[연구그림] 백금 기반 발수성 물질을 이용한 광하향변환 및 수분 차단 모식도

연구진이 개발한 유기금속은 페로브스카이트에 쪼여진 ‘자외선’을 가시광선으로 바꾸는 역할을 한다. 전지에 유해한 자외선은 막고, 이를 페로브스카이트 전지가 흡수해 전력을 생산 할 수 있는 형태의 가시광선으로 바꾸는 것이다. 연구진은 이 유기금속의 발수성을 강화하는 방식으로 수분과 자외선을 효과적으로 막으면서 효율을 끌어올렸다.

제1저자인 화학과 황은혜 연구원은 “유기금속은 금속인 백금 이온 주변에 유기물이 꼬리’(리간드)처럼 달라붙어 있는 구조를 갖는데, 이 꼬리 부분에 발수성이 강한 물질(작용기)을 썼다”고 설명했다. 공동 제1저자인 김형우 에너지공학과 연구원은 “자외선을 선택적으로 흡수해 이를 다시 가시광선으로 발산하는 유기금속을 밀도범함수 이론에 기초해 디자인 했다”고 전했다.

유기금속이 코팅된 전지는 50-60%의 높은 습도에서도 900시간 가까이 초기 효율을 유지했고, 광하향변환(Photon Downshifting)에 의해 전지 효율도 향상 됐다. 또 이 코팅을 적용하지 않은 전지의 경우 300시간 만에 자외선에 의해 효율이 반으로 줄어든 반면, 코팅이 적용된 전지는 처음의 효율을 유지했다.

*광하향변환(Phton Downshifting): 특정 분자가 높은 주파수(짧은 파장)의 빛(에너지)을 흡수했을 때, 물질이 흡수한 에너지가 낮은 주파수(긴 파장)의 에너지로 변환되어 재방출되는 시스템. 이 실험에서는 자외선이 가시광선으로 변환된다.

 

[연구그림] 개발된  스프레이 코팅 가능한 물질

연구팀은 이 유기금속을 쉽게 코팅할 수 있는 경제적 기법도 개발했다. 미세 입자상태의 복합체 용액을 압축 질소 기체를 이용해 아주 얇게 코팅하는 방법이다. 기존 공정들과 달리 기판의 윗면과 측면을 동시에 코팅할 수 있다. 장성연 교수는 “최소한의 공정으로 경제성(US$2.0/m2)을 갖췄다”고 강조했다.

권태혁 교수는 “다기능성 보호막을 단일물질(유기금속), 단일공정을 통해 만들었다는데 의의가 크다”며 “페로브스카이트뿐만 아니라 다양한 태양전지에 적용 가능한 플랫폼기술로서도 가치 있는 연구”라고 설명했다.

이번 연구는 에너지 분야의 저명한 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 온라인 공개됐으며 923(한국시간) 출판될 예정이다. 연구 수행은 한국연구재단(NRF), 한국에너지기술평가원(KETEP), 울산과학기술원의 지원으로 이뤄졌다.

논문명: Fabrication of Water-Repellent Platinum(II) Complex-Based Photon Downshifting Layers for Perovskite Solar Cells by Ultrasonic Spray Deposition

자료문의

대외협력팀: 김학찬 팀장,  양윤정 담당 (052) 217 1228

화학과: 권태혁 교수 (052) 217 2947

에너지화학공학과: 서관용 교수 (052) 217 2950

                               장성연 교수 (052) 217 2923

  • [연구그림] 백금 기반 발수성 물질을 이용한 광하향변환 및 수분 차단 모식도
  • [연구그림] 개발된  스프레이 코팅 가능한 물질
  • 개발된 소재를 코팅한 페로브스카이트 태양전지 효율 향상 결과
  • 개발된 소재가 코팅된 페로브스카이트 태양전지 안정성 향상 결과
 

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

지속 가능한 발전(Sustainable development)의 한 갈래로서 지구상 가장 풍부한 자원인 태양 에너지를 통해 깨끗한 전기를 생산하는 태양광발전 연구가 이목을 끌고 있다. 최근 페로브스카이트 태양전지(Perovskite solar cells)1)가 저렴한 제조 단가와 급격한 효율 성장세를 바탕으로 활발히 연구되고 있으며, 최대 25.0% 이상의 높은 광전변환효율(Photon-to-current conversion efficiency)을 달성하였다. 하지만 페로브스카이트 태양전지는 인체에 유해한 납(Pb)을 다량 함유할 뿐만 아니라 자외선과 수분 등에 노출되었을 때 안정성이 매우 떨어진다는 치명적인 문제가 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다.

그중 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 해결하기 위한 전략으로, 페로브스카이트의 조성과 소자 구성 최적화를 통해 안정성을 근본적으로 향상하거나 유리로 소자를 봉지화(Encapsulation)함으로써 주변 환경에 의한 열화(Degradation)를 막는 등의 연구가 보고되었다. 하지만 이러한 접근은 소자 제작 공정을 복잡하게 만들어 비용을 크게 높일 뿐만 아니라 여러 요인에 의한 효율 감소를 복합적으로 극복하기 어려워 다양한 소자에 널리 이용할 수 없다. 이러한 관점에서 최근 상대적으로 간단한 공정을 통해 자외선에 대한 안정성을 높임과 동시에 추가적인 광전변환효율 향상까지 달성하는 광하향변환(Photon downshifting)2) 전략이 주목받았으나, 여전히 수분 안정성을 함께 개선할 수 없다는 한계를 가지고 있다.

따라서 본 연구진은 분자공학적 접근을 바탕으로 뛰어난 광하향변환 효과와 높은 발수성을 지니는 새로운 백금 기반 유기금속 복합체를 개발함으로써 페로브스카이트 태양전지의 효율 향상뿐 아니라 자외선 및 수분에 대한 안정성을 동시에 높이고자 하였다. 더불어 개발된 물질을 소자 전면에 손쉽게 코팅할 수 있는 초음파 스프레이법(Ultrasonic spray deposition; USD)을 활용하여 보호막으로서의 기능을 강화하였다. 이에 따라 본 연구결과는 단일 물질, 단일 공정을 통해 태양전지의 성능과 안정성 모두를 개선하는 플랫폼이라는 점에서 태양전지 상용화 연구에 새로운 방향성을 제시하고자 한다.

 

2. 연구내용

본 연구는 페로브스카이트 태양전지에 입사하는 자외선을 가시광선으로 변환하는 광하향변환 물질에 플루오린화 알킬기(Fluoroalkyl group)를 도입해 강한 발수성을 부여함으로써 태양전지의 효율과 안정성 향상을 동시에 달성하였다. 더불어 초음파 스프레이법을 활용함에 따라 다양한 태양전지에 적용 가능한 ‘기능성 보호막’으로서의 범용성과 경제성을 보여주었다.

우선 밀도범함수 이론(Density functional theory)3)에 기초해 자외선을 선택적으로 흡수하면서 가시광선 영역에서 강한 발광(발광 양자 효율4) 77%)을 보여줄 수 있는 백금복합체를 디자인하였다. 여기에 발수성을 높이기 위한 작용기로서 플루오린화 알킬기를 도입하였고, 그 결과 67%의 높은 광하향변환 효율과 더불어 자외선과 수분에 강한 저항을 보여주는 백금복합체를 개발하였다. 초음파 스프레이 공정을 이용해 두 가지 종류의 페로브스카이트 태양전지에 개발된 백금복합체를 코팅했을 때, 자외선 영역에서 상당한 입사광전변환효율(Incident photon-to-current conversion efficiency)5) 증가와 함께 최대 22.0%의 높은 소자 효율(코팅을 쓰지 않았을 때 효율 21.4%)을 달성하였다.

더 나아가 백금복합체가 코팅된 태양전지는 자외선과 수분에 노출된 환경에서 뛰어난 안정성을 보여주었다. 자외선 안정성의 경우 약 300시간의 노화기간 동안 코팅막이 없는 소자는 초기 효율이 절반으로 줄어든 반면 백금복합체가 코팅된 소자는 효율이 그대로 유지되었는데, 이는 광하향변환에 의해 소자에 도달하는 자외선의 총량이 감소하였기 때문이다. 또한 백금복합체가 코팅된 소자는 50-60%의 상대습도 환경에서 900시간 가까이 초기 효율이 유지됨을 확인하였으며, 이는 강한 발수성을 지닌 백금복합체가 초음파 스프레이 공정을 통해 소자 전면에 코팅됨에 따라 수분의 접근을 막는 보호막으로서 기능하기 때문임을 입증하였다.

 

3. 기대효과

본 연구결과의 핵심은 (i) 단일 물질과 단일 공정만으로 태양전지의 효율과 복합적인 안정성을 모두 높일 수 있는 기능성 보호막을 제시하며, (ii) 태양전지 종류에 상관없이 손쉽게 적용할 수 있는 플랫폼으로써 경제성과 범용성을 모두 지닌다는 점에 있다. 이는 기존에 보고된 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성 향상 연구에서 문제가 되었던 복잡한 공정으로 인한 비용 증가를 해결할 수 있는 전략이며, 더 나아가 향후 페로브스카이트를 비롯한 다양한 태양전지의 상용화 연구에 있어 핵심적인 전략이 될 것으로 기대되는 바이다.

 

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트 태양전지(Perovskite solar cells)

두 개의 양이온(A, B)과 하나의 음이온(O)이 결합된 ABO3 구조를 지니는 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 활용하여 태양광으로부터 전류를 생산하는 태양전지의 한 종류이다.

2. 광하향변환(Photon downshifting)

특정 분자가 높은 주파수의 빛을 흡수했을 때, 물질이 흡수한 에너지가 낮은 주파수의 에너지로 변환되어 재방출되는 시스템을 일컫는다.

3. 밀도범함수 이론(Density functional theory)

분자가 가지고 있는 전자의 분포와 에너지를 양자역학적으로 계산함으로써 분자의 구조와 성질과 같은 특성을 예측하기 위한 이론의 하나이다.

4. 발광 양자 효율

발광체의 빛 방출 효율을 나타내는 수치로써, 물질이 흡수한 전체 광자 수에 대비해서 얼마만큼의 에너지가 빛 에너지로 방출되는지를 비율로 나타내어 계산할 수 있다.

5. 입사광전변환효율(Incident photon-to-current conversion efficiency)

태양전지에 입사되는 태양광 에너지에 대비해 태양전지에서 출력되는 전기 에너지의 비율로서, 각 파장의 빛 에너지가 전기로 전환되는 효율을 의미한다.

 

[붙임] 그림설명

 

그림1. 백금 기반 발수성 물질을 이용한 광하향변환 및 수분 차단 모식도. 자외선을 차단해 페로브스카이트가 흡수 할 수 있는 가시광선으로 변환한다. 또한 발수성 작용기에 의해 수분이 효과적으로 차단된다.

 

그림2. 개발된 소재를 코팅한 페로브스카이트 태양전지 효율 향상 결과. 코팅 전(검은색)과 후(빨간색) 소자의 입사광전변환효율(Incident photon-to-current conversion efficiency; IPCE)을 나타냄.

 

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그림3. 개발된 소재가 코팅된 페로브스카이트 태양전지 안정성 향상 결과. 안정성 실험 조건: (a) 자외선 조사(1.25 mW/cm2) 환경과 (b) 상대습도 50-60% 환경. 파란색은 발수성에 대한 대조군인 poly(methyl methacrylate) (PMMA) 코팅 결과를 나타냄.