[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

스파이로-오엠이티에이디(spiro-OMeTAD)는 정구조 기반 페로브스카이트 태양전지1)에서 정공수송층으로 널리 사용되며, 현재 해당 구조에서 최고 효율을 구현하는 소재로 알려져 있다. 이 스파이로-오엠이티에이디의 전기적 특성을 향상시키기 위해서는 과량의 4-tert-부틸피리딘(4-tert-butylpyridine)와 리튬비스마이드(LiTFSI) 도펀트의 첨가가 필수적이다. 그러나 과량의 도펀트 사용은 스파이로-오엠이티에이디 유기 소재의 유리전이 온도를 80℃ 이하로 낮추며, 고온 환경에서 탈도핑 현상을 촉진하여 정공수송층의 전기적 특성을 저하시킨다. 이러한 도펀트 시스템은 스파이로-오엠이티에이디 기반 구조에서 장기적인 고열 안정성 확보에 주요한 장애 요인으로 작용하고 있다.

2.연구내용

본 연구팀은 정구조 기반 페로브스카이트 태양전지의 장기 고열 안정성이 저하되는 주요 원인을 과량의 도펀트 도입에 따른 유기 소재의 유리전이 온도 저하와 탈도핑에 의한 전기적 특성 감소로 규명하고, 이를 해결하기 위해 기존의 도펀트 시스템을 대폭 개선했다.

4-tert-부틸피리딘의 과량 도입으로 발생하는 문제를 최소화하기 위해 그 사용량을 20배 줄였으며, 리튬비스마이드 도펀트와 1:1로 강한 복합체를 형성하는 새로운 도펀트 시스템을 최적화했다. 이를 통해 스파이로-오엠이티에이디 유기 소재의 유리전이 온도는 100℃ 이상으로 상승했으며, 1:1 복합체 형성은 고온 환경에서 4-tert-부틸피리딘의 탈착을 억제하고 탈도핑을 방지할 수 있었다. 이러한 변화로 정구조 기반 페로브스카이트 태양전지의 장기 고열 안정성 확보할 수 있었다. 과량의 도펀트를 도입하였음에도 불구하고, 잔여 4-tert-부틸피리딘이나 고온에서 리튬비스마이드 복합체에서 탈착된 4-tert-부틸피리딘은 탈도핑을 유발해 유기 소재의 도핑 효율 저하시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 도펀트 시스템은 탈도핑 방지를 통해 도핑 효율을 높이고, 고효율 구현 또한 가능하게 한다.

이 시스템이 적용된 페로브스카이트 태양전지는 26.18%의 광전변환효율을 기록했으며, 25cm2 면적의 모듈에서는 23.29%의 효율을 달성했다. 또한, 85℃의 고온 조건에서 1,000시간 동안 장기 내구성 평가를 거쳐 높은 안정성을 입증했다.

3.기대효과

정구조 기반 페로브스카이트 태양전지에서 새로운 유기 소재나 도펀트 도입 없이 단순히 몰비 최적화만으로 고효율과 장기 고열 안정성을 동시에 구현한 사례는 거의 없었다. 이번 연구는 이러한 접근 방식을 통해 향후 페로브스카이트 태양전지 상용화를 가속할 수 있는 새로운 전략과 연구 방향을 제시할 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1.페로스브카이트 태양전지

상용 실리콘 태양전지와 달리 페로브스카이트라는 물질을 광활성층으로 사용하는 태양전지. 정공수송층과 전자수송층 사이에 페로브스카이트 박막이 샌드위치 구조로 적층된 형태다. 정공수송층과 전자수송층의 위치에 따라 정구조 태양전지와 역구조 태양전지로 구분된다. 페로브스카이트는 ABX3 (A:1가 양이온, B:금속 양이온, X:할로겐 음이온) 화학식을 갖는 물질을 말한다. 결정구조(구성 원소 배열이 규칙적인 입체구조)가 자연 발견 광물인 페로브스카이트를 닮아 페로브스카이트라 불린다. 태양전지 등에서 연구되는 페로브카이트는 인위적으로 합성된 물질이다.

2.탈도핑(de-doping)

물질의 성능을 원하는 방향으로 조작하기 위해 첨가물(도펀트)을 넣는 것을 도핑(doping)이라 한다. 탈도핑은 도핑으로 인한 성능 개선 효과가 감소하는 현상이다. 페로브스카이트 전지의 정공수송층으로 쓰이는 스파이로-오엠이티에이디에 도펀트를 넣으면 p-타입 라디칼을 형성돼 전기적 특성이 좋아진다. 그러나 잔여 혹은 탈착된 4-tert-부틸피리딘은 탈도핑 현상을 통해 중성 상태의 스파이로-오엠이티에이디로 되돌아가게 하므로, 이러한 탈도핑을 억제해야 한다.

3.리튬비스마이드(LiTFSI)

스파이로-오엠이티에이디 유기 소재의 도핑을 위해서 필수적인 도펀트로 p-타입 라디칼을 형성시켜 전기적 특성을 향상시키는 역할을 한다.

4.4-tert-부틸피리딘 (4-tert-butylpyridine)

리튬비스마이드 도펀트를 녹이는 아세토나이트릴 극성 용매와 스파이로-오엠이티에이디를 녹이는 클로로벤젠 무극성 용매의 혼화성 (miscibility)를 향상시키기 위해서 필요한 첨가제이다.

[붙임] 연구그림

그림 1. 도펀트(첨가제) 함량 변화에 따른 스파이로-오엠이티에이디 정공수송층의 전기적 특성 비교 결과

그림 2. 도펀트(첨가제) 함량 변화에 따른 스파이로-오엠이티에이디의 유리전이 온도 변화와 고온 내구성 평가 비교 결과

그림 3. 도펀트(첨가제) 함량 변화에 따른 페로브스카이트 태양전지 광전변환효율 비교 결과

그림 4. 도펀트(참가제) 함량 변화에 따른 1:1 복합체 형성 및 장기 고온 안정성 비교 결과