[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

페로브스카이트1) 태양전지는 현재 태양전지 시장의 주를 이루는 실리콘 태양전지와는 다르게 다양한 조성 조합을 통해 광·전기적 특성을 쉽게 변화시킬 수 있으며, 얇고 가볍게 제작이 가능할 뿐 아니라 공정 과정과 비용이 상대적으로 저렴하다. 실리콘이 가진 한계를 뛰어넘을 수 있는 차세대 태양전지로써 주목받고 있는 이유다. 이러한 페로브스카이트 태양전지가 상용화되기 위해서는 현재 취약점으로 지적되는 수분·열과 같은 외부 환경 요인에 대한 내구성 개선이 반드시 선행되어야 한다.

페로브스카이트 광활성층 표면에 있는 유·무기 양이온과 할로겐 이온의 공극결함(원래 원자가 있어야 할 자리가 비어있는 결함)과 결정립 경계 간2)에서의 결함은 페로브스카이트 태양전지의 성능과 안정성을 저해하는 주된 요인이다. 고성능 페로브스카이트 태양전지 제작을 위해서는 결함제어 연구가 필연적이다. 이를 위한 해결책 중 하나로 페로브스카이트 표면에 보호층(passivation layer)3)을 형성하여 결함에서 발생할 수 있는 페로브스카이트 성능 저해 요소를 차단하는 방법이 연구되고 있다.

최근에는 외부 환경 요인에 대한 내구성이 우수한 2차원 루델스덴–포퍼 구조4)의 보호층을 사용하는 연구가 보고되고 있으나, 해당 물질은 배향(정렬 방향)에 따라 전하 수송 성능에 큰 차이를 보이는 특성을 지닌 것으로 알려져 이를 이용해 태양전지의 안정성과 효율을 동시에 향상하기에는 어려움이 있었다.

2. 연구내용

본 연구팀은 진공증착 기반의 2차원 루델스덴–포퍼 구조의 페로브스카이트 보호층을 페로브스카이트 광활성층위에 형성시켜 안정성뿐만이 아니라 효율까지 향상된 결과를 얻었다. 이번에 합성한 이 루델스덴-포퍼 구조 보호막은 기존 루델스덴-포퍼 구조 보호막과 달리 배향이 통일된 특징이 있다. 일반적으로 사용되는 용액 기반의 공정 방법(용액공정)으로는 보호층의 배향 제어가 제한적인데, 본 연구팀은 진공증착 공정 도입을 통하여 보호층의 구조적·전기적 특성을 성공적으로 조절할 수 있었고 이에 대한 원인 역시 규명하였다.

이를 통해 태양전지 효율을 18.5%에서 21.4%까지 향상했으며, 이로써 진공증착 공정 기반으로 제작된 페로브스카이트 태양전지에서 세계 최고 수준의 광전변환효율(전지에 도달한 태양광 중 전기로 변환된 비율)을 달성할 수 있었다. 또한, 봉지막 공정 없이 60%−70%의 상대 습도 조건 및 80 °C의 가열 환경에서 각각 1,000시간과 500시간 동안 연속적으로 태양전지 성능을 측정한 결과 광전변환효율 감소폭이 크게 개선된 향상된 내구성을 확인했다.

3. 기대효과

본 연구를 통해 개발된 정렬된 구조를 가지는 진공증착 기반의 페로브스카이트 보호층 기술은 수분·열 등의 외부 환경으로부터 페로브스카이트 박막의 성능 저하를 효과적으로 차단하고 전하 수송 성능 향상을 가져올 수 있다. 이와 같은 연구 성과는 태양전지뿐만 아니라 페로브스카이트를 활용한 다양한 광전자소자(발광다이오드, 광센서 등)에 적용되어 관련 분야의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심기술이 될 수 있을 것으로 전망된다.

또한 본 연구에서는 페로브스카이트 광활성층을 포함한 대부분의 박막이 OLED, 광학코팅, 투명전극 제조 등 기존의 산업현장에서 널리 사용되고 있는 진공증착 기술로 제작 가능하다는 것을 입증해 보임으로써 페로브스카이트 태양전지의 상업화와 대면적화의 가속화가 촉진될 수 있을 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트 태양전지(perovskite solar cell, PSC)

태양광을 흡수해 자유전자를 형성하는 광활성층을 페로브스카이트 소재로 사용하는 태양전지를 일컫는다. 현재 태양전지 시장의 높은 비중을 차지하고 있는 실리콘 태양전지에 비해 제조 공정이 대체적으로 간단하여 낮은 생산비용 및 높은 효율을 달성할 수 있는 잠재력을 가진 차세대 태양전지로써 각광받고 있다.

한편, 페로브스카이트는 페로브스카이트라는 천연광물의 결정구조(원자가 규칙적으로 배열된 모양)를 닮은 물질을 총칭하는 말이다. 통상적으로 태양전지에 쓰는 페로브스카이트는 유·무기 양이온과 할로겐 원소로 조합된다. 이 물질 조합에 따라 다양한 특성을 띤다.

2. 결정립계(grain boundary)

결정립(grain)의 경계인 결정 결함. 내부의 원자 배열 상태가 규칙적인 물질을 결정성이 있다, 또는 결정이라고 한다. 일반적인 결정성 물질은 작은 결정 알갱이(grain)들이 뭉쳐진 다결정 구조다. 다결정 물질들은 마치 보도블록에서 블록 사이 틈과 같은 결정립계(grain boundary)가 있다. 이 경계면은 외부자극을 받아 분해되는 현상이 가속화될 수 있어 결정립계 결함으로도 불린다.

3. 보호층(passivation layer)

반도체 소자 혹은 박막 위에 형성되는 피막으로 외부 유해 요인으로부터 소자 혹은 박막을 보호하고 화학 작용이나 부식을 막아 손상을 줄이는 역할을 한다.

4. 2차원 루델스덴–포퍼(Ruddlesden–Popper) 구조

2차원 층상 구조를 갖는 페로브스카이트 구조의 일종으로 2차원의 유사 페로브스카이트 층과 층간의 양이온으로 구성되어있다. 2차원 루델스덴–포퍼 구조는 독특한 구조와 물성을 갖고 있어 다방면의 연구가 진행되고 있다. 2차원 물질은 두께가 매우 얇을 뿐만 아니라 표면에 불완전 화학결합이 없는 안정한 물질을 말한다.

5. 진공증착(vacuum deposition)

진공 상태에서 증착 재료를 증발시켜 증기로 물체 표면에 얇은 막을 입히는 공정을 지칭한다. 주로 전자 부품의 반도체 피막형성에 사용되며 대표적으로 OLED 제조 공정에서 널리 사용되고 있다.

[붙임] 그림설명