[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 제조가 간편하고 저렴하다. 일과 중 태양이 떠 있는 위치(태양광 입사각)에 따라 발전효율이 크게 달라지는 실리콘 태양전지와 달리 입사각에 민감하지 않아 설치 위치에 제약이 적다.

태양전지의 효율은 광활성층 물질이 결정하는데, 이 전지의 광활성층인 페로브스카이트(Perovskite)는 ABX3(A:1가 양이온, B:금속 양이온, X:할로겐 음이온)인 화학 조성을 갖는 비교적 간단한 구조의 물질이다. 이 물질은 화학 조성 변경으로 태양광 흡수 영역(밴드갭) 확장 및 제어가 가능해 지난 10년 동안 태양전지의 광활성층으로 많은 연구가 진행됐고 빠르게 발전했다.

페로브스카이트 ABX3 구조 중 A의 위치에는 methylammonium (MA), formamdinum(FA), ethylammonium(EA), cesium(Cs), rubidium(Rb) 등과 같은 다양한 유·무기물 복합물 등이 연구되고 있고, B의 위치는 lead(Pb), tin(Sn), germanium(Ge), magnesium(Mg) 과 같은 물질들이 보고됐다.

하지만 X 위치에 올 수 있는 물질들은 할로겐 음이온인 브롬(Br-) 과 아이오딘(I-) 이외에는 거의 알려지지 않았다. 할로겐 음이온의 낮은 안정성과 높은 민감도로 인해 연구의 진입장벽이 매우 높았기 때문이다.

2. 연구내용  

연구팀은 ‘유사할로겐 음이온 물질’(Pseudo-halide Anion)인 포메이트(HCOO-)를 페로브스카이트 구조에 넣어 상호작용하는 기술을 세계 최초로 개발했다. 이를 통해 페로브스카이트 광활성층의 전기적ㆍ화학적 성질을 획기적으로 향상하는데 성공하였다.

포메이트는 이전에 연구되지 않았던 물질이라 아주 기초적인 영역에서부터 분석하였다. 먼저 컴퓨터 시뮬레이션을 이용해 페로브스카이트 구조 내 이 물질의 호환성을 예측하는 과정을 거쳤다. 그 후 포메이트 물질이 페로브스카이트 구조에서 어떤 역할을 하는지 밝혀내는 데 초점을 맞췄다.

연구 결과 포메이트는 광활성층인 페로브스카이트 박막이 전하의 수명을 기존에 비해 50% 가까이 증가시켜 많은 전하를 전기에너지로 바뀔 수 있게 했다. 태양광 자극을 받은 페로브스카이트 물질은 전자(음전하 입자)와 정공(양전하 입자)를 내는데 이 둘은 이른 시간에 재결합해(recombination) 사라지는 특성이 있다. 포메이트는 이를 막는 역할을 한다. 또 페로브스카이트 박막의 입자 크기를 키울 수 있을 뿐만 아니라 수직성장을 가능하게 만들어 결정성을 향상시켰다.

연구팀은 페로브스카이트 박막에서 포메이트 물질이 기존 할로겐 물질(이이오딘, 브롬)들과 비교해 어떤 면에서 뛰어난 특성이 있는지 분석했다. 포메이트는 할로겐 음이온으로 사용되고 있던 Br-, I-, Cl-와 BF- 보다 음이온 공석(원자가 있어야 할 자리가 비어 있는 것)에 대한 결합에너지가 높아 광활성층내의 결함을 빠르게 막아준다는 사실을 분자동역학적 시뮬레이션(Molecular dynamic simulation)을 통해 확인하였다. 빈자리를 빠르게 메워주어 결함을 제거하는 셈이다. 결함 자리에서 태양광 생성 전하 입자가 소멸하기 때문에 결함이 적을수록 효율이 높다.

또 최상 품질의 페로브스카이트 박막 결정을 얻기 위해 사용되는 물질의 농도뿐만 아니라 실험실 내의 온도와 습도까지 세세하게 제어하였다.

개발된 광활성층을 이용한 태양전지의 구조는 메조스코픽 구조를 사용하였다. 이 구조는 평면구조와 비교해 전지의 안정성이 뛰어나고 페로브스카이트의 히스테리시스(Hysteresis) 특징을 효율적으로 억제할 수 있어서 널리 사용된다. 이 전지의 전력변환효율(전지에 쪼여진 태양광 에너지를 100으로 보았을 때 이를 전기로 바꾸는 효율)은 현재 논문 출간된 효율 중 최고 효율인 25.6%를 기록했다. 미국의 공인인증기관인 Newport社에서도 25.21±0.8%의 전력 변환 효율을 인증받았다.

기록적인 전력변환효율은 앞서 설명한 페로브스카이트 광활성층의 뛰어난 전기적ㆍ광학적 특성 때문이다. 특히, 개방전압 손실의 경우 Shockley-Queisser가 제시한 한계치의 96%의 값을 기록하였고 이는 유사할로겐화물이 페로브스카이트 박막내의 비방사재결합(non-radiative recombination, 생성된 전자와 정공이 재결합하면서 사라질 때 열에너지를 방출하는 것)을 효과적으로 줄여줘서 가능한 것이다.

한편, 박막봉지(encapsulation) 과정 없이 20%이하의 습도에서 섭씨 60℃로 열을 가할 때 1000 시간 동안의 안정성을 확보하였다. 특히, 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 가장 큰 걸림돌이 되는 작동 안정성 부분에서도 450시간 동안 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

3. 기대효과  

이 물질은 차세대 태양전지 소재로 활용되어 페로브스카이트의 다양한 조성에 큰 역할을 할 것으로 기대된다. 특히 벌크(bulk) 구조의 형성에 도움을 주어 페로브스카이트 발광 다이오드, 디텍터(센서) 그리고 열전소자 연구에 활용될 수도 있다. 그럴 뿐만 아니라 유연한 필름을 코팅할 때 사용하는 용액공정으로 제작하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 적용할 수 있다. 기존 실리콘 등의 무기물 전자 소자와 비교해 공정 과정이 간단하고 제작비용이 저렴한 장점도 있다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트

ABX3 (A:1가 양이온, B:금속 양이온, X:할로겐 음이온) 화학식을 갖는 물질. 결정구조(구성 원소 배열이 규칙적인 입체구조)가 자연 발견 광물인 페로브스카이트를 닮아 페로브스카이트라 불린다. 태양전지 등에서 연구되는 페로브카이트는 인위적으로 합성된 물질이다. 화합물 구성 원소를 바꿔 다양한 페로브스카이트 물질을 만들 수 있다.

2. 페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트를 전지의 광활성층으로 사용하는 태양전지. 광활성층은 태양광을 흡수해 전자와 정공을 만드는 중요한 역할을 해 전지 성능을 결정한다. 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지보다 제조가 간편하고 저렴하다. 태양이 떠 있는 위치(태양광 입사각)에 따라 발전효율이 크게 달라지는 실리콘 태양전지와 달리 입사각에 민감하지 않아 설치 위치 등에 제약이 적다.

3. 실리콘 태양전지

얇은 규소판인 실리콘 웨이퍼를 광활성층으로 사용하는 태양전지.

4. 유사할로겐화물(Pseudo-halide)

전하 분포가 매우 대칭적인 다원자적, 공명 안정된 1원자가 음이온의 그룹.

5. 개방전압

하나의 전원이 출력할 수 있는 최대의 전압. 전압손실은 이론전압(광활성층의 밴드갭)에서 ‘개방전압’을 뺀 수치. 이 전압손실은 페로브스카이트의 전자·정공 재결합이나, 소자의 여러 구성층 사이에서 일어나는 에너지 레벨 불일치 때문에 일어난다.

6. 박막봉지(encapsulation)

유기물이나 무기물은 공기 중에 노출되면 수분이나 대기 중의 공기에 영향을 받기 때문에 이를 억제하기 위해 유기물이나 무기물을 접착제로 덮는 방법.

7. 용액공정

필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정으로, 인쇄기법이 가능해서 대면적 소자 제작이 용이함.

[붙임] 그림설명

그림1. 개발된 페로브스카이트 물질의 구조 및 특성 (a) 기존 페로브스카이트 물질이 포메이트(HCOO-)을 첨가함. (b) 물질 내에서 전하 입자를 유지하는 성질이 우수함. (붉은색 영역이 개발된 물질) (c) 포메이트는 페로브스카이트 물질 입자의 수직 성장을 도움. (d) 포메이트는 결함(vacancy, 원자가 구멍 난 자리) 제거 능력이 기존 음이온에 비해 뛰어남을 보여줌.

그림2. 개발된 물질을 이용한 태양전지 구조 및 성능. (a) 개발된 페로브스카이트 물질을 광활성층으로 쓴 태양전지의 구조. (b) 포메이트를 첨가했을 때(붉은색선)전력 생산량이 늘어남. (c) 美 Newport社 공인 인증 시험성적. 25.21±0.8%의 전력 변환 효율을 인증 받음. (d) 습도 안정성을 보여주는 그래프. (e) 열 안정성을 보여주는 그래프.