^*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.

^*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.

[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 ‘보호막’으로서의 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 보호막’을 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.