[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

페로브스카이트 태양전지(Perovskite solar cells, PSCs)1)는 제조단가가 매우 저렴하고 높은 효율 등으로 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 높은 효율에 비해 수분·열·빛 등에 대한 취약한 안정성은 상용화에 큰 걸림돌이 되었다.  

이 때문에 페로브스카이트 광활성층의 분해를 가속화 하는 요소인 납(Pb)과 할라이드(염소 등) 이온의 공극(vacancy,원래 물질 원자가 있어야 할 자리가 비어있는 결함), 결정립 경계(grain boundary)2) 등을 줄이기 위한 페로브스카이트 층 형성 방법, 전자·정공 수송층의 변화·개질 등에 관한 많은 연구들이 진행되었다. 그 중 첨가물을 사용하는 방법은 결함을 효과적으로 감소시키는 것으로 알려져 있으나, 첨가물 자체의 수분 및 열에 대한 안정성, 비전도체 특성 등이 해결 과제로 남아있었다.

새롭게 합성된 Y-Th2 물질은 높은 수분 및 열에 대한 안정성, 높은 전하수송 능력을 보유하고 있어 페로브스카이트 내 첨가물로써 높은 적합성을 가지고 있다. 또한 페로브스카이트 결정 구성 요소와 ‘루이스 산-염기 반응’( Lewis acid–base interactions)’3)과 ‘수소 결합’(hydrogen bonding)4)을 형성할 수 있는 작용기(유기물에서 특정 기능을 갖는 원자 그룹)를 갖고 있어 페로브스카이트와의 다양한 반응을 통한 결함 감소 효과를 얻을 수 있을 것으로 기대하였다.

2. 연구내용

본 연구진은 페로브스카이트층에 Y-Th2 첨가제를 사용하여 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성 향상을 얻었다. Y-Th2와 페로브스카이트 구성 요소 간 ‘루이스 산-염기 반응’ 및 ‘수소 결합’은 페로브스카이트 층 내의 결함(defects, 공극결합이나 결정립 경계 등)을 효과적으로 감소시켰다. 감소된 결함에 의해 전자·정공의 재결합이 줄어들었으며, 그에 따라 태양전지의 효율을 18.3%에서 21.5%까지 향상시켰다.

또한, 줄어든 결함에 의해 페로브스카이트가 다양한 환경에서 분해되는 것을 효과적으로 방지하였으며, 그에 따라 40%의 상대 습도 조건에 1,600 시간 후에도 초기효율의 80% 이상을 유지하는 등의 높은 안정성을 보여주었다.

3. 기대효과

Y-Th2 첨가 방법은 페로브스카이트 층 내의 결함을 효과적으로 감소시켜 페로브스카이트 태양전지의 성능 뿐 아니라 고질적 문제인 안정성 또한 큰 폭으로 향상시킬 수 있었다. 이러한 연구 결과는 태양전지뿐 아니라 다양한 분야에서 각광받고 있는 페로브스카이트 기반 광전소자의 상용화에 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells, PSCs)

페로브스카이트 태양전지는 태양광을 받아 자유전자를 생산하는 광활성층에 페로브스카이트 소재를 사용한 전지로서 보통 투명전극/전하 수송층/광활성층/전하수송층/전극을 기본 구조로 제작한다. 페로브스카이트는 두 종류의 양이온과 한 종류의 음이온이 결합해 만들어진 ABO3 3차원 결정 구조로서, 광전효율이 높고 유연한 성질을 가져 높은 활용도를 가진다.

2. 결정립 경계(Grain Boundary)

페로브스카이트 결정과 결정간의 입계면을 의미한다. 전자와 정공은 페로브스카이트 결정립 경계를 통해 이동하려는 경향을 띄며, 이때 전자와 정공의 재결합이 일어나 태양전지의 성능을 감소시킨다. 또한 수분의 침투 경로 혹은 페로브스카이트 구성 원소가 분해되어 이동하는 경로가 되어 페로브스카이트의 안정성을 감소시키게 된다.

3. 루이스 산-염기 반응 (Lewis acid–base interactions)

물질 간 전자(electron)를 주고 받아 공유결합을 형성하는 반응. 이번 연구에서는 첨가제는 페로브스카이트내 2가 이온(Pb2+)과 루이스 산 염기 반응을 통해 결정 씨앗 생성에 필요한 에너지(깁스 자유 에너지)를 높인다.

4. 수소 결합(hydrogen bonding)

전기음성도가 큰 산소와 같은 원자와 수소 원자 간의 결합. 첨가제는 산소 원자가 양이온과 수소 결합을 형성해 결정의 성장 속도를 느리게 하고 결정성을 우수하게 만든다.

5. 광전변환효율

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

[붙임] 그림설명

그림1. Y-Th2 첨가제의 역할. 페로브스카이트 내 구성 원소와의 반응을 통해 경계면 결함 등을 감소시키며 그에 따라 페로브스카이트의 성능 및 안정성을 향상시킬 수 있다.

연구배경

그림2. Y-Th2 첨가제의 함량별 결정알갱이(grain) 크기 변화

그림3. Y-Th2 첨가에 따른 페로브스카이트 태양전지의 (a) 광전변환효율 및 (b) 페로브스카이트 층 내 결함 감소. Y-Th2 첨가 후 태양전지의 효율은 18.3%에서 21.5%까지 증가하는 모습을 보여주었다. 또한 페로브스카이트 층 내의 결함이 감소한 것을 확인 할 수 있었음.

그림4. Y-Th2 첨가에 따른 페로브스카이트 태양전지의 (a) 수분에 대한 안정성 및 (b) 열에 대한 안정성. 45% 상대 습도 조건하에서 약 1,600 시간 후에도 초기효율의 80% 이상을 유지하는 모습을 보였으며, 85 °C 조건하에서 30 시간 후에도 초기효율의 80% 이상을 유지하는 모습을 통해 태양전지의 안정성이 큰폭으로 향상된 것을 확인 할 수 있다