^*박막 태양전지: 종류가 다른 박막(10-6m) 소재가 샌드위치처럼 쌓여있는 구조다. 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양 전지도 박막 태양전지의 한 종류다.

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

페로브스카이트 태양전지1)는 페로브스카이트라는 물질을 광활성층2)으로 쓰는 태양전지이다. 입사각에 큰 영향을 받아 설치 장소에 제한을 받는 실리콘 태양전지3)와 달리 페로브스카이트 태양전지는 건물외벽이나 차량 선루프 등에서 설치가 가능하다. 게다가 이론적으로 가능한 광전변환효율이 높고 가벼울 뿐만 아니라 저온에서 제조가 가능해 가격 경쟁력이 있다.

다층 박막 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성을 높이기 위해서는 층간의 결함을 최소화하는 것이 중요하다. 성능과 안정성에 부정적인 영향을 끼치는 결함(defect)4)은 주로 층간이 맞닿는 계면에서 오기 때문이다. 다층 박막 구조의 제조 공정상 페로브스카이트층 위에 있는 정공전달층5)과의 계면은 결함을 줄일 수 있는 방법이 다양하게 있지만, 페로브스카이트층 아래에 있는 전자전달층6)의 사이에 있는 계면은 그렇지 않다. 최근에 페로브스카이트 태양전지의 효율을 크게 증가시킨 기술 중 하나는 페로브스카이트층과 전공전달층 사이의 계면의 결함을 줄이는 것에서 기인했기 때문에, 앞으로 성능과 안정성을 더욱 발전시키기 위해서는 페로브스카이트층과 전자전달층 사이의 결함을 줄이는 것이 매우 중요하다.

이번 연구는 페로브스카이트층과 전자전달층 사이에 일관성, 동일성을 가지는 중간층을 형성하여 세계 최고 효율의 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구이다. 이 중간층은 페로브스카이트층에서 형성된 전자를 원활하게 이동, 수집시켜 광전효율을 크게 높였다.

2. 연구내용

연구팀은 물질 결정구조7)에 대한 이해를 바탕으로 전자전달층과 페로브스카이트 광활성층을 무결점으로 연결하는 중간층을 형성시켜, 페로브스카이트 태양전지 최고 효율을 달성했다.

페로브스카이트 물질의 발전과 더불어 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성을 높이기 위해서는 전자전달층의 역할 또한 매우 중요하다. 현재까지는 산화티타늄(TiO2)이 전자전달층으로 주로 활용되어 왔지만, 다공성 물질의 특성상 페로브스카이트 물질과의 계면 면적이 넓어져 계면의 결함이 높을 수 있었다. 대안책으로 산화주석(SnO2)이 많이 연구되었지만, 산화티타늄(TiO2)에 비해 좋은 성능을 보여주지 못하였다. 그 이유는 다공성 TiO2 보다 SnO2가 전자의 이동에 있어서 계면이 넓지 않아 불리할 수 있기 때문이다. SnO2가 TiO2 보다 좋은 성능을 확보하기 위해서는 계면의 면적은 넓히지 않으면서, 전자의 이동과 수집을 개선시켜야 하는 난제가 있었다.

Sn은 Pb와 같이 페로브스카이트 구조를 형성할 수 있는 원소이다. 또한 Sn은 2가 (Sn2+)와 4가(Sn4+)의 다가 이온 상태로 쉽게 존재 할 수 있으며, 할라이드 염소 이온과 산소 이온을 동시에 결합할 수 있다는 것에 착안하여 산소로 구성된 전하전달층과 할라이드 이온으로 구성된 페로브스카이트를 원자적으로 또 결정구조적으로 연결할 수 있을 것이다 라는 점에 착안하여, SnO2와 페로브스카이트 (FAPbI3) 사이에 두 층의 원소를 모두 가지는, FASnClx 페로브스카이트 중간층을 형성하였다. 이 연구는 계면의 결함을 획기적으로 줄이고 전자의 이동과 수집을 개선하여, 세계 최고 공인 인증 효율을 달성할 수 있었다.

한편, 연구팀은 페로브스카이트 물질과 결정구조에 대한 연구에 세계적 선두주자이다. 결정 구조가 안정한 동시에 고효율을 달성할 수 있는 페로브스카이트 소재로 CH(NH2)2PbI3 (Formamidinium lead iodide, FAPbI3)기반에 CH3NH3PbBr3 (Methylammonium lead bromide, MAPbBr3)를 부분 치환한 조성을 설계해 2015년 Nature지에 보고한 바가 있다. 이 조성의 소재를 치밀하고 균일한 고품질의 박막화 과정으로 ‘화학 분자 상호교환법 (Intramolecular exchange)’을 개발해 같은 해 Science지에 보고했다. 그 후, 같은 조성의 페로브스카이트에 ‘아이오딘 처리 (Iodide management)’로 결함 농도(물질 내 결함의 양)를 제어하여 고효율 소자를 제작해 2017년 Science지에 보고했다. 또한 2019년에는 광흡수영역을 높인 페로브스카이트 물질로, 2020년에는 페로브스카이트 격자 사이의 결함을 줄인 연구를 각각 Science지에 보고하였다. 본 연구진에 의해 보고된 위 연구들은 태양전지로 사용되는 페로브스카이트 물질의 대표 소재로 사용되어 왔다. 

3. 기대효과

이번 연구로 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 세계 최고 인증 효율을 달성해 상용화의 기반을 마련했다. 그리하여 본 연구는 산업적으로는, 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위하여 연구실 창업한 회사 (㈜프론티어에너지솔유선)를 통하여 대면적 페로브스카이트 모듈 제조 기술 개발에 활용이 기대된다. 또한 학문적으로는, 전지소재와 구조에 대한 이를 바탕으로 실험을 체계적으로 분석하는 접근법은 후속 연구자에게 새로운 연구 방향과 방법론이 될 것으로 기대한다.

[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. 페로브스카이트는 ‘페로브스카이트’라는 광물의 결정구조를 갖는 물질을 통칭한다.

2. 광활성층(광흡수층)

태양광을 흡수해 전자와 홀을 생성시키는 태양전지 제조에서 핵심적인 물질로, 본 연구에서는 페로브스카이트를 광흡수층으로 사용함.

3. 실리콘 태양전지

반도체 소자 재료로 쓰이는 실리콘을 광활성층으로 사용한 태양전지.

4. 결함(defects)

결정성을 갖는 물질은 물질의 구성하는 원자 들이 규칙적인 격자(lattice)구조를 이룬다. 이 구조 내에서 원자 배열이 삐뚤어지거나, 원래 원자가 있어야 될 위치에 원자가 없거나(vacancy), 또는 그 위치를 다른 물질 원자가 차지하고 있는 경우를 결함이라 한다. 이번 연구에서는 공극결함(vacancy defect)을 줄여 광활성층의 효율을 높였다.

5. 정공전달층 (hole transport layer)

광활성층에서 빛을 받으면 생성되는 전자와 정공 중 정공 만을 전달하는 층.

6. 전자전달층 (eletron transport layer)

광활성층에서 빛을 받으면 생성되는 전자와 정공 중 전자 만을 전달하는 층.

7. 결정구조 (Crystal Structure)

원자, 이온 또는 분자가 모든 방향으로 규칙적이고 반복적으로 배열된 결정성 고체(crystalline solid)가 거시적으로 결정을 이루고 있는 상태를 결정 구조(crystal structure)라 한다. 규칙적이고 반복적인 패턴을 구성하는 입자의 최소 단위를 단위 셀(unit cell)라 하며 이 단위 셀이 3차원에서 확장된 구조가 만들어지면 특정한 형태인 결정 격자(lattice)가 된다.

[붙임] 그림설명

그림.1 광활성층(페로브스카이트)과 전자전달층간의 중간층 형성. (a) 계층화된 전자(electron) 전달층, 새로운 중간층, 페로브스카이트층, 정공(hole) 전달층의 그림. (b) 중간층 형성의 이론적 시뮬레이션.

그림.2 첨단 극미세 분석 장비로 광활성층(페로브스카이트)과 전자전달층 사이의 중간층 존재 확인. (a) 광역 X-선 흡수 미세구조 분석, (b) 2차원 스침각 X-선 회절 분석 및 투과 전자 현미경 관찰 사진.

그림.3 무결함 중간체 생성법으로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 특성. (a) 새로운 중간층을 사용한 세계 최고 효율을 보이는 J(전류밀도)-V(전압) 커브. (b) 장기간 태양광에 노출시켰을 경우 효율 변화도.