[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.

가장 많은 연구가 집중되고 있는 납 기반 페로브스카이트2) 태양전지(광전변환효율3), 26.1%)의 경우 우수한 박막 품질을 형성시킬 수 있어 고효율 태양전지 소자 제작이 상대적으로 수월하다는 장점이 있다. 하지만 에너지 변환 과정 중 발생하는 손실을 고려한 태양전지의 이론적 효율인 S-Q 한계4)에 따르면 납 기반 페로브스카이트 태양전지의 경우 다소 넓은 밴드갭5)(1.5 eV)을 형성하고 있기에, 넓은 영역대의 빛 흡수를 위해서는 이보다 좁은 밴드갭을 가진 소재를 활용할 필요성이 점차 대두되고 있다.

기존의 납 기반 페로브스카이트 태양전지에 주석을 추가로 도입한 주석-납 기반 페로브스카이트의 경우 S-Q 한계상 매우 적절한 밴드갭(1.2 eV-1.4 eV)을 가져 기존의 납 기반 페로브스카이트 태양전지보다 높은 이론적 효율을 가질 수 있다. 하지만 주석의 산화성 및 높은 반응성으로 인해 고품질 박막 형성 기술이 여전히 부족하며 이로 인한 표면 결함, 낮은 내부 전하이동거리가 발생해 기존의 납 기반 페로브스카이트 태양전지에 비해 낮은 태양전지 소자 효율과 더딘 연구 속도를 보이고 있다.

이에 대한 해결책으로 이번 연구에서는 페로브스카이트 양자점6) 도입을 통해 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 문제점을 적극 해결하여 효율을 대폭 향상시켰다. 본 연구기술은 페로브스카이트 양자점 태양전지에 대한 기술 확보를 통해 페로브스카이트 양자점의 활용성을 높였을 뿐만 아니라 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지 분야에도 새로운 연구 방향성을 제시하였다.

2. 연구내용

본 연구에서는 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 효율 저하를 불러일으키는 가장 핵심적인 문제인 표면 결함과 낮은 전하이동거리 문제점을 페로브스카이트 양자점 도입을 통해 동시에 해결하였다.

페로브스카이트 양자점은 수~수십nm에 크기에 달하는 매우 작은 입자이다. 페로브스카이트 양자점의 표면에는 입자의 크기를 유지 시켜줌과 동시에 외부 수분 침투로부터 페로브스카이트 나노입자를 안정적으로 보호해 줄 수 있는 무극성을 띠는 올레일 리간드가 결합되어 있다. 올레일 리간드는 페로브스카이트 양자점의 표면에 결합하여 표면의 결함을 감소시켜 줄 수 있는 역할을 수행한다.

또한 기존의 페로브스카이트 태양전지에서는 용매 조건 제한으로 인해 적층형 광활성층 구조를 활용할 수 없었으나, 페로브스카이트 양자점을 공정에 도입할 경우 용매 조건 제한이 크게 사라져 적층형 광활성층 구조를 활용 가능해 지며, 이를 통해 에너지 준위7) 구배를 손쉽게 일으킬 수 있게 된다.

이로서 본 연구팀은 페로브스카이트 양자점을 활용하여 주석-납 기반 페로브스카이트 박막의 표면 결함 제어 및 광활성층 내부 에너지 레벨 구배를 형성시켜 전하추출능력을 크게 향상시켰으며, 이는 곧 태양전지 소자의 효율 상승효과를 불러 일으켰다.

3. 기대효과

본 연구팀이 제안한 주석-납 기반 페로브스카이트층에 페로브스카이트 양자점을 처리하였을 경우 주석-납 페로브스카이트 태양전지의 표면 결함 감소 및 내부 전기장 형성으로 인해 전하이동거리가 대폭 향상하였으며 이는 고효율 태양전지 제작으로 이어졌다. 그동안 고품질 박막 형성 공정에 대한 부재으로 인해 연구가 상대적으로 미비했던 저밴드갭 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지 분야에 대한 새로운 연구 방향 제시를 하였을 뿐만 아니라 페로브스카이트 양자점 태양전지에 대한 활용도를 높여 추가적인 연구 성과도 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. 밴드갭

반도체 소재에서 전도띠의 하단부분과 가전자띠의 상단부분의 에너지 차이를 의미한다. 태양전지에서는 광활성층에서 빛을 흡수하므로 광활성층의 밴드갭이 태양전지 소자가 흡수 가능한 빛의 영역대를 결정지으며, 좁은 밴드갭일수록 장파장 영역대의 태양광 스펙트럼을 흡수 가능하다는 점이 있다.

6. 페로브스카이트 양자점

페로브스카이트 양자점은 페로브스카이트 구조를 가지는 소재가 수~수십 nm의 크기를 가지는 아주 작은 입자이다. 페로브스카이트의 소재적 특성을 그대로 가지고 있으며 나노화를 통해 추가적인 밴드갭 조절이 가능하다는 점과 표면에 결합하고 있는 무극성 올레일 리간드 등을 통하여 수분 및 산소에 대한 반응성을 차단하여 높은 안정성을 지니고 있는 장점을 가진 소재이다.

7. 에너지 준위

에너지 준위는 원자 및 분자가 가질 수 있는 에너지 값을 일컷는 용어이나, 태양전지에서 사용되는 에너지 준위의 의미는 광반도체가 빛을 흡수하였을 경우 들뜬 전자와 생성된 양공이 존재하고 있는 전도띠와 가전자띠의 에너지의 위치를 의미한다. 이때 전자와 양공이 원활히 추출되기 위해서는 소자에서 활용하는 소재 간의 에너지 위치의 정렬이 중요하다.

[붙임] 그림설명

그림1. 주석-납 기반 페로브스카이트 박막에 양자점 처리 전과 후의 에너지 준위와 표면 이미지(top-view SEM)

페로브스카이트와 양자점의 적층구조를 활용한 태양전지 소자 구조.