[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

유·무기물 혼합 페로브스카이트 소재를 광활성층 (햇빛을 받아 전하 입자를 생성하는 물질)으로 사용하는 페로브스카이트 태양전지는 신재생에너지의 중요성이 증대되고 있는 현시점에서 가장 주목받고 있는 차세대 태양전지 중 하나이다. 이러한 태양전지의 고효율을 위해서는 일반적으로 유기 정공수송층 소재가 쓰이는데, 이들의 최적 정공 이동도를 달성하기 위해 필수적으로 넣는 도핑 첨가물은 대기의 수분을 흡수하고 소재의 열전이온도를 떨어뜨려 태양전지 소자에 필수적인 특성인 장기·열 안정성에 심각한 문제를 야기한다.

2. 연구내용

본 연구팀에서는 기존 spiro-OMeTAD 소재에 나프탈렌 구조를 도입한 spiro-Naph를 소재를 개발하였다. spiro-OMeTAD는 효율적인 전자 비편재화, 공액 구조 확장과 구조적 견고함 같은 다양한 장점이 있어 초고효율 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층으로 쓰이고 있다. 이 소재에 나프탈렌 구조를 도입해 말단기가 비 대칭화된 신규 소재 spiro-Naph를 개발한 것이다.

개발된 소재는 낮은 HOMO(에너지 준위) 레벨, 높아진 소수성과 유리전이 온도를 갖는다. 이는 각각 정공 수송층 소재의 효율(정공 수송 성능), 장기안정성, 열 안정성의 향상에 기여하는 성질이다.

최적화된 분자 형태와 결정 시뮬레이션에서도 spiro-Naph가 spiro-OMeTAD 대비 약 2배 가량의 높은 응집 에너지를 보유함을 보임으로써 spiro-Naph의 강한 분자간 인력을 증명하였으며, 이는 앞서 언급된 고효율과 고안정성의 또 다른 근거가 된다.

신규 소재를 사용하여 제작된 n-i-p 구조 페로브스카이트 태양전지는 기존spiro-OMeTAD 기반 소자와 비교하여 향상된 효율(24.43%)을 보였다. 더불어 장기 안정성 테스트에서는 2,000시간 이후 초기 성능의 89.4% 이상을 유지했으며, 열 안정성 테스트(>60℃)에서는 400시간 이후 초기 성능의 78.6% 이상을 유지했다. 반면 기존 소재인 spiro-OMeTAD를 쓴 태양전지는 2,000시간 이후 초기 성능의 53.1%로 효율이 떨어졌으며, 400시간 60℃의 고온에 노출하는 실험 후에는 50%의 효율을 보였다.

또한 연구팀이 상용화 가능성을 확인하기 위해 제작한 대면적 (25cm2) 페로브스카이트 모듈은 21.83%의 고효율을 달성하였는데, 이는 보고된 모듈 광전변환효율 중 세계 최고 수준이다.

3. 기대효과

본 연구에서는 유기 정공수송층 소재 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지의 주요 문제점인 복합적인 안정성 문제를 해결하였고 이를 사용하여 세계 최고 수준의 효율을 갖는 모듈 단위 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공했다. 이번 연구로 페로브스카이트 태양전지의 상용화의 중요한 전기를 마련했으며, 이를 바탕으로 한 다양한 유기 소재 개발은 후속 태양전지 연구의 밑거름이 될 것으로 보인다.

[붙임] 용어설명

1.페로브스카이트 태양전지

페로브스카이트는 결정구조 ABX3를 가진 물질로, 우수한 전자기적 및 광학적 특성을 가지고 있다. 이를 광활성층으로 사용하는 태양전지를 페로브스카이트 태양전지라고 한다. 값싼 용액공정으로 제조 가능하며, 기판 종류에 따라 유연한 형태로도 만들 수 있는 장점이 있다.

2. 정공

전자의 빈(空)상태를 나타내는 가상의 입자이다. 전자와는 반대로 양전하를 갖는 전하 운반체로서 전기장 자기장 등의 외부력에 감응한다. 정공수송층(hole transport material)은 정공을 전극에 전달하는 역할을 하는 물질로, 디스플레이 기기에도 쓰인다.

3. 유리전이온도

유리전이(glass transition)은 온도가 상승함에 따라 단단하고 깨지기 쉬운 유리 상태(glassy state)로부터 점성 또는 고무와 같은 상태(viscous or rubbery state)로 전이하는 현상으로, 이 현상이 일어나는 온도를 유리전이 온도라고 한다. 유리전이 온도가 높을수록 내열성이 강하다고 여겨진다. 정공 수송층 소재에 유리전이가 발생하면, 정공 전달 성능이 떨어지게 된다. 

4. 응집 에너지

응집 에너지(cohesive energy)란 재료를 구성하는 원자·분자 중 하나를 떼어내는데 필요한 에너지의 양이다. 일반적으로 응집 에너지가 클수록 원자·분자간 상호작용이 크다고 여겨지고, 분자간 상호작용이 커지면 유리전이 온도가 높아진다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 기존 소재 spiro-OMeTAD(우측)과 개발된 spiro-Naph소재의 화학 구조.

그림 2. 소면적 소자의 효율 및 안정성 테스트. 24.43%의 광전변환 효율을 기록함.

그림 3. 25cm2 대면적 모듈 페로브스카이트 태양전지 (좌측) 과 그 효율.