[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

태양광 발전은 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 광전효과를 이용하는 광전지1)인 태양전지를 통해 이루어지며 이산화탄소 및 기타 부산물들을 배출하지 않는 친환경적인 방법으로서 최근 많은 연구가 집중되고 있다.

최근 부각하고 있는 차세대 태양전지인 페로브스카이트2) 태양전지는 광자 하나당 전자로 변환할 수 있는 효율을 나타내는 광전변환효율3)이 26.1%를 기록하는 등 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 한층 가까워져 왔음을 알리고 있다.

에너지 변환 과정 중 발생하는 손실을 감안한 태양전지의 이론적 효율인 S-Q 한계4)에 따르면 광흡수층이 1.1 eV – 1.4 eV의 밴드갭을 가질 때 최대 광전변환효율을 가질 수 있다. 최근 각광받고 있는 금속 할로겐화물 페로브스카이트는 납 기반의 물질이며 밴드갭이 최적 밴드갭보다 큰 1.5 eV에 가까워 태양전지 효율을 더 높이기 위해서는 밴드갭을 낮추는 것이 필요하다. 납 기반 페로브스카이트에 주석을 추가하여 주석-납 기반의 페로브스카이트 광활성 소재를 활용할 시 밴드갭을 1.2 eV 정도로 낮출 수 있다는 광학적 이점이 있으나 소자의 안정성이 낮다는 추가적 문제가 발생한다.

이번 연구에서는 화학적 보호 음극 중간막5)으로 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드을 도입하여 주석-납 기반의 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 제시했다. 또한 광흡수영역 확장을 통해 높은 단락전류밀도를 생산해 낼 수 있어 이를 바탕으로 그린수소 생산에도 활용가능함을 제시하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 태양전지 실제 구동 시 가장 큰 문제점 중 하나인 금속 확산으로 인한 소자의 열화 및 분해현상을 해결하기 위해 주석-납 페로브스카이트 상층부에 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드를 화학적 보호 음극 중간막으로 도입하였다. 기존에 활용하던 중간막이었던 바토쿠프로인에 비해 페릴렌 디이미드의 경우 더 많은 금속에 대한 결합자리를 가지고 있으며 아민 기능기와 산소원자의 강한 친핵성질로 인해 금속이온에 대해 더욱 강한 흡착능력을 가질 수 있게 된다. 이러한 페릴렌 디이미드의 우수한 금속확산 차단 능력을 바탕으로 60 °C에서 750시간 작동 후 초기 광전변환효율의 81%이상을 유지하는 탁월한 장기안정성을 보여주었으며 우수한 정공차단 및 전자추출능력을 바탕으로 기존 바토쿠프로인 기반에 비해 더 높은 23.21%의 광전변환효율을 나타냈다.

태양전지 응용 외에도 광전기화학6)을 활용한 그린수소 생산에도 이를 적극 활용하였다. 페릴렌 디이미드가 처리된 주석-납 기반 페로브스카이트 광전극은 바이오매스와 결합하여 33.0 mA/cm2 (~3.42×10-6 kg·s-1·m-2)의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였으며 이는 미국 에너지부의 단일접합 태양 수소 생산 최종 목표치보다 높은 수치이다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 화학적 보호 음극 중간막인 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드을 활용하였을 경우 주석-납 페로브스카이트 태양전지의 장기안정성 및 효율을 더욱 향상 시킬 수 있다. 이에 그치지 않고 태양광을 활용한 친환경 수소 생산시스템을 포함하여 기타 공업 화합물 생산에 대한 기여도 기대할 수 있게 된다.

[붙임] 용어설명

1. 광전지

광전지는 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있는 에너지 전환 장치로서 태양광을 활용할 시에 태양전지로도 불린다. 광전소자의 일종으로서 빛이 입사되면 전기적 특성(전류, 전압, 저항)이 달라지게 된다. 광전지 내부의 광활성 소재에서 빛을 흡수하게 되면 엑시톤이 형성되며 엑시톤은 전자와 정공으로 분리되며 이는 각각 음극과 양극으로 추출되어 전기를 생산하게 된다.

2. 페로브스카이트

페로브스카이트는 칼슘 티타늄 산화물(CaTiO3) 광물의 구조를 한 물질을 통칭하는 것이나 태양전지에 활용되는 페로브스카이트 소재는 보통 납 혹은 주석 기반의 할로겐화물 페로브스카이트를 일컫는다. 할로겐화물 페로브스카이트는 높은 흡광계수, 긴 전하이동거리, 낮은 결함밀도 등 우수한 광·전기적 특성을 보유하고 있어 태양전지의 광활성층으로 많이 활용되고 있다.

3. 광전변환효율

광전변환효율은 태양전지의 성능을 나타내는 가장 대표적인 값이다. 입력전력 대비 출력전력의 비로서 계산이 되며 태양전지로 입사된 빛 에너지가 얼마만큼의 전기 에너지로 변환되었는지 척도를 나타내는 수치이다.

4. S-Q 한계

S-Q 한계는 단일 p-n 접합을 사용하여 셀에서 전력을 수집할 수 있는 태양전지의 최대 이론 효율이다. S-Q 한계에서 유일한 에너지 손실 메커니즘은 복사 재결합이다. 밴드갭 1.34 eV에서 이론적 최대 효율인 33.7%의 광전변환효율을 얻을 수 있다.

5. 화학적 보호 음극 중간막

화학적 보호 음극 중간막은 금속전극의 열화로 인한 이온화 현상으로 인해 발생하는 금속이온의 이주현상을 방지하기 위한 보호막으로서 페로브스카이트 태양전지에서는 통상적으로 바토쿠프로인 물질을 대표적으로 사용하고 있다.

6. 광전기화학 반응

광전기화학반응은 태양전지를 활용하여 전극에 빛을 조사하여 전기 에너지가 발생하는 광전효과를 활용하여 전기화학 반응을 일으키는 반응을 일컫는다. 전극 표면에서 산화 반응이 일어나는 전극을 양극(anode)이라 하며, 환원 반응이 일어나는 전극을 음극(cathode)라 한다.

7. 1-sun 조건 하 태양광 수소 생산

실제 태양광은 대기 중 흡수 및 산란으로 인하여 태양광 스펙트럼의 세기가 서로 상이하므로 동일한 측정 조건을 위하여 기준이 필요하다. 1-sun (1000 W/m2) 은 태양광 전체 스펙트럼의 선속 세기 조건을 의미하며, 미국 에너지부에서는 1-sun을 기준으로 수소 생산량을 정의하고 있다. 즉, 1-sun 세기를 가지는 태양광 스펙트럼에서의 단위 면적, 단위 시간당 총 수소 생산량을 의미한다.

8. 목질계 바이오매스

농업폐기물, 산림폐기물 등의 유기물로 셀룰로오스, 헤미셀룰로오스 및 리그닌으로 구성돼 있다. 대기 중에 이산화탄소를 증가시키지 않고 탄소중립적 특성을 가지고 있는 친환경적인 청정에너지원이다.

[붙임] 그림설명

그림1. 금속이온 확산에 대한 화학적 장벽 역할을 하는 페릴렌 디이미드 분자를 활용해 안정성이 향상된 광전기화학 장치(주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 광전극 및 카본나노튜브/흑연질탄소 양극)의 개략도