[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

스파이로-오엠이티에이디(spiro-OMeTAD)는 정구조 기반 페로브스카이트 태양전지에서 정공수송층으로 널리 사용되며, 이를 활용해 실리콘 태양전지에 필적하는 26%에 가까운 효율이 보고된 바 있다. 그러나 스파이로-오엠이티에이디는 본래 전기전도성이 낮아, tBP 첨가제와 LiTFSI 도펀트를 포함한 p형 도핑이 필수적이다. 하지만 tBP의 첨가는 정공수송층의 유리전이 온도를 80℃ 이하로 낮춰, 110℃ 이상의 공정 온도가 요구되는 봉지화 기술 적용을 어렵게 만든다. 이는 장기적인 고온·고습 안정성 확보에 있어 주요한 장애 요인으로 작용하고 있다.

2.연구내용

본 연구팀은 정공수송층의 높은 유리전이 온도를 확보하기 위해 tBP 첨가제를 에틸렌 카보네이트 기반 전해질로 대체하고, 이를 통해 LiTFSI 도펀트와의 용매화 복합체 형성 메커니즘을 규명하였다. 또한, 해당 전략을 활용하여 tBP 없이도 LiTFSI 도펀트의 용해도를 효과적으로 증가시켜 정공수송층의 전기전도성을 크게 개선하였다.

tBP 첨가제를 최초로 에틸렌 카보네이트 기반 전해질로 대체하여 새로운 도펀트 시스템을 최적화하였다. 이를 통해 스파이로-오엠이티에이디의 유리전이 온도를 125℃까지 상승시켰으며, LiTFSI 도펀트와 용매화 복합체를 형성하여 tBP 없이도 LiTFSI의 용해를 가능하게 하였다. 향상된 용해도는 효과적인 p형 도핑을 유도해 정공수송층의 전기전도성을 크게 개선하며, 최적의 에너지 레벨을 기반으로 정공의 효율적인 추출 및 이동을 촉진한다. 또한, 박막 형성 과정에서 낮은 용해도로 인한 LiTFSI 석출을 억제하여 상분리 없이 균일한 정공수송층 박막을 얻을 수 있다. 따라서 본 연구에서 제시한 도펀트 시스템은 tBP 프리 정공수송층을 구현함으로써 정공수송층의 열 내구성을 높이는 동시에 도핑 효율을 극대화하여 고효율 페로브스카이트 태양전지의 구현을 가능하게 한다.

본 시스템을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 25.56%의 광전변환 효율을 기록했으며, 100cm2 면적의 모듈에서도 22.14%의 높은 효율을 달성하였다. 또한, 봉지화 기술을 적용한 후 85℃ 고온 및 85% 고습 환경에서 1,000시간 동안 장기 내구성 평가를 수행하여 우수한 안정성을 입증했다.

3.기대효과

페로브스카이트 태양전지의 상용화를 가로막는 최대 난제 중 하나는 장기적인 고온·고습 안정성 확보였다. 이를 해결하기 위해 tBP를 새로운 유기 소재나 도펀트로 대체하는 연구가 지속적으로 진행돼 왔으나, 전해질을 활용한 대체 전략을 적용하여 스파이로-오엠이티에이디 기반 정구조 페로브스카이트 태양전지에서 1,000시간 이상의 고온·고습 환경 내 장기 안정성을 실현한 사례는 지금까지 보고된 바 없다. 그러나 이번 연구를 통해 그 한계를 뛰어넘어 장기적인 고온·고습 안정성을 확보했으며, 이번 성과가 페로브스카이트 태양전지 상용화의 마지막 퍼즐 조각을 완성할 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. 실리콘 대비 가격이 싸며, 공정 비용을 절감할 수 있다.

2.광전변환 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 광전변환 효율이 올라간다.

3.4-tert-부틸피리딘 (4-tert-butylpyridine)

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

4.리튬비스마이드 (LiTFSI)

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

5.용매화 (Solvation)

용질 분자가 용매 분자와 상호작용하여 안정한 복합체를 형성하는 과정이다. 에틸렌 카보네이트 용매 분자는 리튬비스마이드 도펀트의 리튬이온과 상호작용을 하여 용매화 복합체를 형성하고, 이를 통해 리튬비스마이드의 용해도를 향상 시킬 수 있다.

6.봉지화 (Encapsulation)

고온, 고습, 산소, 자외선 등 외부 요인으로부터 페로브스카이트 활성층 및 전극을 효과적으로 차단하여 장기 안정성을 확보하는 밀폐 공정으로, 소자의 내구성을 극대화하는 핵심 기술이다.

[붙임] 그림설명

그림 1. 에틸렌 카보네이트를 첨가해 만든 페로브스카이트 태양전지 셀과 모듈의 광전변환 효율. 에틸렌 카보네이트를 쓴 전지는(target) tBP를 쓴 전지(control)보다 광전변환 효율(PCE)이 뛰어났다. 또 이번에 개발된 전지는 그간 보고된 tBP 없는 전지 중 가장 높은 효율을 기록했다. (좌단 별표)

그림 2. 에틸렌 카보네이트 첨가로 인해 태양전지 내구성 향상. 정공수송층의 유리전이 온도 측정 결과(좌측 상단), 광조사 및 고온 환경 전기적 특성 비교 결과, 85℃ 고온 및 85% 고습 환경에서 페로브스카이트 태양전지와 모듈의 내구성 평가 비교 결과

그림 3. 에틸렌 카보네이트의 성능과 에틸렌 카보네이트를 넣어 만든 정공수송층의 성능. (우측 상단) 리튬비스마이드 도핑제의 용해도 비교. 에틸렌 카보네이트를 넣은 경우 용해도가 개선돼 잔류 리튬비스마이드가 육안으로 보이지 않음. (상단 가운데, 좌측 상단) 정공수송층의 광학적 특성 비교 결과 (좌측 하단, 하단 중앙) 정공수송층 박막의 표면 형태 비교 결과

그림 4. 에틸렌 카보네이트의 고성능 원인 분석. 리튬비스마이드 도핑제와 에틸렌 카보네이트 간의 용매화 복합체 형성 반응 메커니즘 및 화학적 상호작용 분석 결과