보도자료

2023. 2. 17 (금) 부터 보도해 주시기 바랍니다.

더 높은 효율의 페로브스카이트 태양전지 제조 방법 찾았다

UNIST 석상일 교수팀, 페로브스카이트 광활성층의 결정화 거동 제어해
페로브스카이트 태양전지에 적용, 세계 최고의 효율 갱신… Nature 논문 게재

피부에 붙여도 티 나지 않는 ‘투명한 전자피부(Electronic Tattoo)’를 만들 길이 열렸다. 전자피부는 사람 피부 등에 스티커처럼 붙여 디스플레이, 생체신호 측정 등에 활용할 수 있는 초소형 전자회로다.

UNIST(총장 조무제) 박장웅 교수(신소재공학부), KAIST 배병수 교수, ETRI(한국전자통신연구원) 추혜용 단장으로 꾸려진 공동연구팀은 반으로 접거나 잡아당겨도 전기적 특성이 유지되는 고성능 ‘그래핀 투명전극’ 제조 기술을 개발했다. 이 전극을 이용해 피부나 유리, 나뭇잎 등에 쉽게 붙일 수 있는 투명 전자회로도 구현했다.

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 구조의 결정성 반도체를 박막으로 코팅해 제조한다. 따라서 내부 결함이 적도록 박막의 결정화 거동을 제어하는 것이 고효율화에 매우 중요하다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과의 석상일 특훈교수팀은 ‘페로브스카이트 광활성층 반도체의 결정성을 제어하는 새로운 방법과 원리’를 발견해 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 기술을 개발했다. 이 원리를 페로브스카이트 태양전지의 제조에 활용해 세계 최고의 효율인 26.08%를 달성했고, 미국 재생에너지연구소 (National Renewable Energy Laboratory)에서도 세계 최고 효율 (25.73%)로 공인했다. 이번 성과는 세계 최고 권위지인 ‘네이쳐 (Nature, Impact Factor: 69.504)’ 2월 16일(현지시각)자, AAP(Accelerated Article Preview)로 공개됐다.

페로브스카이트 태양전지의 고효율화에는 페로브스카이트 박막의 결정 속에 결함(defects)을 극도로 낮게 제어하는 것이 매우 중요하다. 이러한 결함은 태양전지의 장기 안정성에도 큰 영향을 미친다. 박막의 생성 과정 제어와 이 과정의 원리에 대한 이해는 높은 효율과 장기 안정성을 동시에 만족하는 핵심적인 요소 기술이다.

석상일 교수는 “페로브스카이트 구성 성분과 결합하면서 결정화가 이뤄지는 단계에서 탈양자화가 일어나는 알킬암모늄 클로라이드을 사용했는데, 이런 최적의 조합이 이번 연구 결과의 핵심이다”며 “또한 알칼기(Alkyl)와의 조합을 통해 페로브스카이트 전구체 용액의 코팅과 열처리 과정에서 용매와 함께 휘발되는 속도를 최적으로 제어할 수 있었다. 이 조합을 통해 박막의 표면을 극도로 평탄하게 하면서 치밀하고, 결정의 내부 결함을 최소로 하는 결정성이 매우 우수한 페로브스카이트 박막 제조가 가능했다”고 설명했다.

이번 논문의 공동교신저자인 신태주 UNIST 반도체 소재ㆍ부품 대학원 교수는 “이번 연구는 할라이드 음이온을 가진 페로브스카이트의 결정화 과정을 포항가속기연구소의 UNIST-PAL 빔라인을 통해 실시간으로 관찰하며 그 원리를 밝히고 정리한 매우 뜻깊은 연구”라며 “향후 다양한 조성을 가진 결정성이 높은 페로브스카이트 박막의 제조에도 확장이 가능할 것”이라고 기대했다.

석상일 교수는 또한 “본 연구를 통해 26% 이상의 효율을 가지는 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지가 가진 효율을 조만간 능가할 수 있을 것”이라며 “본 연구는 27% 이상의 효율을 달성하기 위한 여정의 출발점”이라고 그 의미를 강조했다.

이번 연구는 UNIST의 박재왕 연구원과 김종범 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 수행은 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원으로 이뤄졌다.

한편 페로브스카이트 태양전지는 얇고 가볍고 유연하며, 용액공정으로 값싸게 만들 수 있는 차세대 태양전지다. 페로브스카이트는 전하(전자, 정공)를 만드는 광활성층 물질로 사용된다.

석상일 교수는 페로브스카이트 태양전지의 20% 효율을 처음 넘겼으며 세계 최고의 공인 효율 기록을 보유하고 있다. 특히, 페로브스카이트 이종접합 n-i-p 태양전지 구조를 세계 처음으로 발표했고, 지금도 25% 이상의 고효율 페로브스카이트 태양전지는 모두 이 구조를 갖는다. 그는 학문적인 우수성도 인증받아 세계 최고 권위의 저널(journal)인 네이쳐와 사이언스(Science)에만 이번까지 10편의 논문을 보고했다. 2022년에는 영국 랭크 재단에서 수여하는 저명한 과학상인 랭크 광전자공학상(Rank Prize in Optoelectronics)을 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 개발에 기여한 공로를 인정받아 공동 수상자로 선정됐다.

(논문명: Controlled growth of perovskite layers with volatile alkylammonium chlorides)

자료문의

대외협력팀: 서진혁 팀장, 우종민 담당 (052)217-1232

에너지화학공학과: 석상일 특훈교수 (052)217-2946

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

페로브스카이트 태양전지는 광활성층으로 ‘유기 양이온, 무기 양이온 및 할라이드 음이온이 1:1:3의 비율을 가지는 조성이며 페로브스카이트라는 특정 결정구조를 가지는 물질’을 사용한 태양전지이다. 전자전달체, 광흡수층 및 정공전달체로 구성된 다층 박막의 구조를 가지는 페로브스카이트 태양전지에서 그 효율과 장기 안정성을 높이기 위해서는 페로브스카이트 박막의 물성 즉 내부 결함을 최소화하는 것이 매우 중요하다.

지금까지 페로브스카이트 박막의 내 결함 농도를 줄이는 목적으로 사용한 방법은 주로 결정의 입계나 표면에 존재하는 결함을 패시베이션하는 것이었다. 페로브스카이트 태양전지의 효율을 더욱 향상시키기 위해서는 그러한 결함의 패시베이션 외에 페로브스카이트 박막의 내부 결함을 결정화하는 단계에서 더욱 줄이는 것이 필요하다. 따라서, 본 연구는 페로브스카이트 박막의 결정화 단계를 제어할 수 있는 새로운 방법을 찾고자 했다.

2. 연구내용

현재 페로브스카이트 태양전지의 제조에 널리 사용되는 물질은 formamidinium lead triiodide (FAPbI3)라는 페로브스카이트 구조의 재료로서, 광을 전기로 변환시키는 광흡수체로 활용돼 매우 우수한 효율을 보이고 있다. 하지만 FAPbI3는 광학적으로 활성인 페로브스카이트 구조가 상온에서는 열역학적으로 불안정해 광학적으로 비활성인 구조로 전이가 쉽게 일어나는 문제가 있다. 광학적으로 활성인 구조를 안정화하기 위해 합금화하는 물질은 광흡수 스팩트럼을 좁게하거나 안정성에 부정적인 영향을 주는 문제가 있다.

본 연구에서는 FAPbI3 전구체에 알킬암모늄 클로라이드 (RACl)를 일정양 도입해, 광학적으로 활성인 구조로의 결정상의 전이와 결정화 과정을 조정해 고효율 페로브스카이트 태양전지의 제조를 가능하게 했다. 전구체 용액에 첨가된 RACl은 FAPbI3에서 PbI2에 결합하는 RA-H+-Cl-에 의해 유도된 RA+의 탈양성자화와 함께 RA0 및 HCl로 해리되기 때문에, 코팅 및 어닐링 중에 쉽게 휘발되는 것으로 여겨졌다. 결과적으로, 표면이 매우 균일하면서 치밀하고, 내부 결함이 적은 높은 결정성의 박막을 형성할 수 있었다.

보다 상세하게, RACl의 종류와 양은 FAPbI3의 결정을 델타상에서 알파상으로의 상 전이 속도, 결정화도, 결정 배향 및 표면 모폴리지를 결정한다는 것을 포항가속기연구소의 스침각 입사 X-선 회절 분석기로 실시간 분석했다. 특정 조건으로 페로브스카이트의 결정성을 제어해 코팅된 페로브스카이트 박막으로 제조한 페로브스카이트 태양전지는 26.08% (인증효율: 25.73%)의 전력 변환 효율을 보였다.

3. 기대효과

본 연구진은 페로브스카이트 태양전지의 연구에 있어서 세계적 선두 주자이다. 페로브스카이트라는 이름은 결정구조의 이름을 뜻하기 때문에 물질로는 다양한 조성의 소재가 가능하다. 현재 페로브스카이트 태양전지의 제조에 주로 사용하는 물질은 Formamidinium lead iodide (FAPbI3, CH(NH2)2PbI3) 가 주로 사용되고 있다. 하지만 이 물질은 상온에서는 페로브스카이트 결정구조가 불안정해, CH3NH3PbBr3 (Methylammonium lead bromide, MAPbBr3)를 부분 치환해 안정화 한 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 제어해 고효율 소자를 제작해 2017년 Science지에 보고했다. 또한 2019년에는 광흡수영역을 높인 페로브스카이트 물질로, 2020년에는 페로브스카이트 격자 사이의 결함을 줄인 연구를 각각 Science지에 보고했다. 2021년에는 패로브스카이트와 전자전달체 사이에 결함이 없는 interlayer를 형성하는 방법을 제안해 Nature지에 보고했다. 이와 같이, 페로브스카이트 태양전지 기술의 발전에 있어서 핵심적인 기여가 본 연구진에 의해 이루어졌으며, 현재 보고하는 연구 결과는 앞서 발표한 내용과 결합하여, 고효율의 페로브스카이트 태양전지의 제조에 크게 이바지할 것으로 기대한다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트 박막(halide perovskite thin film)

할라이드 페로브스카이트는 두 개의 양이온(A, B)과 세 개의 할라이드 음이온(X)이 결합된 ABX₃ 화학식을 가지면서 페로브스카이트 구조를 가지는 물질을 통칭함. 본 연구에서는 포름아미디늄(formamidinium)과 납(lead)을 양이온으로 아이오다이드(iodide)를 음이온으로 하는 포름아미디늄 레드 아이오다이드(formamidinium lead iodide, FAPbI₃)의 박막을 의미한다.