[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

페로브스카이트 태양전지1)는 뛰어난 광흡수 특성과 높은 광전변환효율2)로 차세대 태양전지 기술의 선두주자로 최근 신재생 에너지 분야에서 큰 발전을 이루었다. 그러나 페로브스카이트 층과 전하 수송 층 사이의 계면의 결함3)에서 발생하는 비방사 재결합4)은 효율 저하의 주요 원인으로 작용한다. 이를 해결하기 위해 역구조 페로브스카이트 태양전지는 자가조립 단층(SAM)5) 물질을 정공 수송 층으로 개발 및 사용되고 있으나, 기존 소재는 계면 결함의 완화와 안정성 측면에서 한계가 있다. 특히, 카바졸 기반 SAM 물질은 페로브스카이트 박막과의 에너지 준위 불일치 및 소수성 표면6) 특성에 기인한 계면 결함 및 안정성에 문제가 존재한다. 이에 따라, 정공 수송 특성을 개선하고 계면 결함을 줄일 수 있는 새로운 SAM 물질 개발이 요구되고 있다.

2.연구내용

본 연구에서는 메틸 티올 작용기가 포함된 신규 SAM 물질(MeS-4PACz)을 정공수송층으로 사용한 페로브스카이트 태양전지의 계면 특성과 태양전지의 효율 및 안정성에 미치는 영향을 조사했다. 기존의 상용화된 SAM 물질과 달리 메틸 티올 작용기가 도입된 MeS-4PACz 분자는 향상된 쌍극자 모멘트를 통해 계면 간의 적절한 에너지 준위 정렬7)을 제공하여 페로브스카이트로부터의 이를 통해 정공 추출을 효과적으로 촉진하고 전하 재결합을 효과적으로 억제할 수 있었다. 또한 메틸 티올 작용기를 통하여 향상된 친수성(친용매성)8) 표면 특성은 페로브스카이트 박막 형성 시, 하부에서 발생되는 공극의 형성을 감소시켰으며, 메틸 티올 작용기의 S 원소는 페로브스카이트층의 양이온(Pb2+)과 강한 화학적 상호작용(Pb-S 결합)을 형성하여 페로브스카이트 박막 하부의 결함을 패시베이션9)하여 결정 구조의 안정성을 향상 시킬 수 있었다. 그 결과, MeS-4PACz을 정공수송층으로 사용한 역구조 페로브스카이트 태양전지는 기존 4PACz 기반 태양전지 대비 더욱 향상된 효율인 25.13%을 기록하였으며, 500시간의 광안정성 (1 sun, white LED) 시험에서도 높은 안정성을 보였다.

3.기대효과

본 연구를 통해 SAM 물질에 메틸티올 치환기의 도입은 효과적으로 계면 결함을 감소시켜 정공 운반 특성 및 결정구조 안정성을 향상시키며, 이를 통하여 소자의 효율과 안정성이 크게 향상되었다. 이러한 접근법은 향후 신규 SAM 물질 설계에 중요한 가이드라인을 제공할 뿐만 아니라, 페로브스카이트 태양전지 상용화에 크게 기여할 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 페로브스카이트는 인위적으로 합성된 물질이다. 실리콘 대비 가격이 싸며, 공정 비용을 절감할 수 있다.

2.광전 변환 효율 (Power Conversion Efficiency, PCE)

태양광 에너지가 전기에너지로 변환되는 비율을 나타내며 태양전지의 성능을 평가하는 중요한 지표이다. 태양광 활성층이 빛을 받아 만든 광생성 전하입자(전자, 정공)를 전달하는 전자수송층과 정공수송층의 성능이 좋을수록 태양전지의 광전 변환 효율이 올라간다.

3.계면 결함 (Interfacial Defect)

서로 다른 물질이 접합된 계면에서 발생하는 결함. 전하 재결합을 유발하여 전기적 손실을 증가시키고, 소자의 안정성을 저하시킨다.

4.전하 재결합 (Charge Recombination)

생성된 전자와 정공이 다시 결합하여 에너지가 손실되는 현상. 태양전지의 효율을 감소시키는 주요 요인 중 하나이다.

5.자가조립단층 물질(Self-assembled monolayer molecule, SAM molecule)

표면에 분자가 스스로 정렬하여 형성하는 단일 분자층. 화학적 친화성을 이용해 기판 표면에 단층을 형성하며, 전자 소자 및 에너지 소자 계면 특성 개선에 사용된다.

6.소수성 표면 (Hydrophobic Surface)

물과의 친화도가 낮은 표면 특성. 페로브스카이트 형성 과정에서 균일한 박막 형성을 저해할 수 있다.

7.에너지 준위 정렬 (Energy Level Alignment)

이종 물질 간 전자 및 정공의 이동을 효율적으로 하기 위해 에너지 준위를 맞추는 작업. 계면에서 전자와 정공 추출 효율을 높이는 데 중요하다.

8.친수성 표면 (Hydrophobic Surface)

물과의 친화도가 높은 표면 특성. 페로브스카이트 형성 과정에서 균일한 박막 형성에 유리할 수 있다.

9.패시베이션 (Passivation)

재료의 결함을 화학적으로 처리하여 결정구조를 안정화 시켜, 소자의 성능 및 안정성을 향상시키는 기술.

10.히스테리시스 (Hysteresis)

태양전지 특성 연구에서, 정방향으로 전압을 가했을 때 얻은 전압-전류 곡선 특성과 역방향으로 전압을 가했을 때 얻언 전압-전류 곡선 특성 간의 차이.

[붙임] 그림설명

그림1. 본 연구에 사용된 물질의 화학구조 및 페로브스카이트 효율과 광안정성 비교: 기존 4PACz의 카바졸 그룹에 메틸 티올 작용기를 도입하여 신규 SAM 물질인 MeS-4PACz을 합성함. 신규 SAM 물질을 정공 수송 층으로 사용하여 페로브스카이트 태양전지 소자를 제작함. 그 결과, 비교군 광전 변환 효율(PCE: 22.23%) 대비 13% 향상된 25.13%의 광전 변환 효율 및 우수한 광 안정성을 나타냄.

그림2. 개발된 물질의 특성 분석(a) MeS-4PACz 물질의 도입은 효율적인 정공 추출과 보다 균일한 에너지 레벨을 가지는 정공수송층을 형성함. (b) 메틸 티올 작용기의 도입은 친수성 표면을 가지도록 하여 페로브스카이트 박막 형성 시 발생하는 공극 결함의 형성을 최소화함. (c) 또한, S-Pb 화학적 상호작용을 통해 페로브스카이트의 구조적 결함에 대한 안정화(Passivation)가 가능하며 이를 통한 소자의 효율 및 안정성 향상을 얻을 수 있었음.