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빛을 나눠 받아 더 많은 전기를 만드는 탠덤 태양전지의 효율과 내구성을 모두 잡을 수 있는 박막 소재가 나왔다. UNIST 화학과 김봉수 교수팀은 탄소중립대학원 김진영·김동석 교수팀과 함께 페로브스카이트 유기 탠덤 태양전지의 성능을 끌어올릴 수 있는 새로운 정공수송층을 개발했다고 15일 밝혔다. 탠덤 태양전지는 서로 다른 파장 대역의 태양광을 흡수하는 두 종류의 전지를 위아래로 쌓아, 햇빛을 보다 넓게 활용하는 구조의 전지다. 이 중 페로브스카이트와 유기물 조합은 전지를 얇고 유연하게 제작할 수 있어, 웨어러블 기기나 건물 창호용 전원 등 차세대 전력원으로 주목받고 있다. 연구팀은 자가조립 분자 2종을 혼합해 만든 정공수송층을 개발해 이 전지에서 2.216V의 개방전압과 24.73%의 광전변환효율 기록했다. 개방전압은 전지가 생성한 전하가 손실 없이 전극에 도달해 형성되는 전위차로, 개방전압이 높을수록 전지 효율이 높아진다. 이 수치는 페로브스카이트와 유기물 조합 탠덤 전지 중 세계 최고 수준이다. 또 65℃ 고온과 장시간 광조사 환경에서도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 장기 안정성도 입증했다. 개발된 정공수송층은 페로브스카이트 광활성층과의 에너지 준위가 잘 정렬되도록 설계돼 정공만을 선택적으로 추출하고 전자는 차단해 전하 재결합을 억제한다. 태양전지는 빛을 받아 분리 생성된 음전하 입자인 전자(-)와 양전하 입자인 정공(+)이 전극까지 도달해야 전류를 낼 수 있는데, 에너지 준위가 어긋나면 전하가 추출되지 못하고 중간에서 재결합해 소실된다. 이 정공수송층은 전하이동을 방해하는 계면 결함을 줄이면서 결정 구조를 더 안정적이고 균일하게 유지하는 역할도 한다. 정공수송층을 이루는 36ICzC4PA와 36MeOCzC4PA 자가조립 분자의 치환기가 페로브스카이트 내 금속이온과 강한 화학 결합을 형성하기 때문이다. 또 자가조립 분자의 스스로 기판 위에 얇고 고르게 깔리는 특성 덕분에 제조 공정이 간단해지고, 넓은 면적에도 쉽게 적용할 수 있어 상용화에도 유리하다. 김봉수 교수는 “전지의 정공 추출, 계면 안정화, 구조 내구성까지 개선한 자가조립 정공수송층을 개발해 탠덤 전지의 성능을 획기적으로 개선할 수 있었다”며 “얇고 유연하면서도 고효율을 유지하는 차세대 태양전지 상용화에 한 걸음 더 다가선 결과”라고 말했다. 이번 연구는 UNIST 손중건 연구원, 샤히드 아민(Shahid Ameen) 박사가 제 1저자로 참여했으며, 연구 결과는 지난 4월 8일 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 온라인판에 실렸다. 연구 수행은 과학정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다. 논문명: Exceeding 2.2 V Open-Circuit Voltage in Perovskite/Organic Tandem Solar Cells via Multi-Functional Hole-Selective Layer |
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[붙임] 연구결과 개요 |
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1.연구배경 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지는 넓은 스펙트럼 범위의 태양광을 효과적으로 활용할 수 있는 차세대 기술로 주목받고 있다. 이러한 구조에서 상부셀로 사용되는 고밴드갭 페로브스카이트 태양전지는 고에너지 광자를 흡수하고 높은 개방전압을 생성하는데 중요한 역할을 하고 있다. 그러나 여전히 페로브스카이트와 전하수송층 사이 에너지 준위 정렬 불일치와 광조사시 상분리 현상으로 인한 개방전압 손실이 효율 및 안정성 저하의 주요 원인으로 작용한다. 이를 해결하기 위해 자가조립단층 (SAM) 물질을 정공수송층 소재로 개발 및 사용하고 있으나, 기존 소재는 쌍극자 모멘트가 작아 고밴드갭 페로브스카이트와의 에너지 정렬에 한계를 보이며 SAM 물질이 용액 내에서 마이셀을 형성하여 분균일한 SAM이 형성되는 한계가 있다. 이에 따라, SAM 물질의 구조적 변화를 통한 쌍극자 모멘트 변화 및 용액 내 마이셀 형성 억제를 위한 공정 최적화에 대한 연구가 요구되고 있다. 2.연구내용 본 연구에서는 아이오딘 및 메톡시 치환기가 도입된 신규 SAM 물질(36ICzC4PA, 36MeOCzC4PA)을 혼합하여 정공수송층으로 사용한 고밴드갭 페로브스카이트 태양전지 내 에너지 준위 정렬과 페로브스카이트 박막 특성 변화가 태양전지의 효율 및 안정성에 미치는 영향을 조사했다. 쌍극자모멘트가 다른 36ICzC4PA와 36MeOCzC4PA를 혼합하여 사용함으로써 페로브스카이트-정공수송층 사이 에너지 준위를 최적화함과 동시에 SAM 용액 내 마이셀 형성을 억제해 균일한 정공수송층을 형성할 수 있었다. 또한, 36ICzC4PA와 36MeOCzC4PA의 치환기는 페로브스카이트 박막 하부의 결함을 각각 Pb-I, Pb-O 상호작용을 통해 억제해 결정 구조의 안정성을 향상시킬 수 있었다. 그 결과, 혼합 정공수송층이 도입된 고밴드갭 페로브스카이트 태양전지는 18.85%의 광전변환효율을 달성하였다. 이를 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지에 적용 시 24.73%의 높은 광전변환효율과 함께 305시간의 구동안정성 (1 sun, white LED, MPPT) 및 500시간의 광안정성 (65℃, 질소 환경)을 보였다. 3.기대효과 본 연구를 통해 치환기가 다른 두 SAM 물질의 도입은 효과적으로 SAM 제작 용액 내 마이셀 형성을 억제해 고른 정공수송층을 형성하고 페로브스카이트-정공수송층 간 에너지 레벨 정렬을 통한 정공 운반 특성을 향상시킬 수 있다. 또한, 두 SAM 물질의 치환기는 페로브스카이트 계면 결함을 감소시키고 광조사에 의한 상분리 현상을 억제할 수 있다. 이를 통해 소자의 효율과 안정성이 크게 향상되었으며, 이러한 접근법은 향후 신규 물질 설계 및 공정 최적화에 중요한 가이드라인을 제공할 뿐만 아니라, 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지의 상용화에 크게 기여할 것으로 기대된다. |
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[붙임] 용어설명 |
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1.광전변환효율 (Power Conversion Efficiency, PCE) 태양광 에너지가 전기에너지로 변환되는 비율을 나타내며 태양전지의 성능을 평가하는 중요한 지표이다. 2.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. 3.계면 결함 (Interfacial Defect) 서로 다른 물질이 접합된 계면에서 발생하는 결함. 전하 재결합을 유발하여 전기적 손실을 증가시키고, 소자의 안정성을 저하시킨다. 4.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. 5.전하 재결합 (Charge Recombination) 생성된 전자와 정공이 다시 결합하여 에너지가 손실되는 현상. 태양전지의 효율을 감소시키는 주요 요인 중 하나이다. 6.최대 전력점 추적 (Maximum Power Point Tracking, MPPT) 태양광 패널의 전력 출력을 최적화하는 기술로서 태양광 인버터에 구현된 알고리즘을 통해 구현된다. |
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[붙임] 그림설명 |
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그림1. 정공수송층 자가조립분자의 화학 구조식과 성능 (a) 기존 4PACz의 카바졸 그룹에 아이오딘과 메톡시 치환기를 도입하고 두 물질을 1:4 혼합하여 정공수송층으로 이용함. (b) 혼합 정공수송층 도입 시 1.366 V의 높은 개방전압 및 18.85%의 광전변환효율을 달성함. (c) 이를 페로브스카이트/유기 탠덤 소자에 도입 시 보고된 논문 중 가장 높은 개방전압 (2.216 V) 및 충전율 (84.07%)를 달성함. 페로브스카이트/유기 탠덤 태양전지의 (d) 구동 환경 및 (e) 내열 안정성 평가 진행 시 각각 305, 500시간의 우수한 안정성을 나타냄.
그림2. 자가조립분자를 이용한 페로브스카이트 결정성 향상 (a) 36ICzC4PA와 36MeOCzC4PA 혼합을 통해 균일한 정공수송층을 형성함. (b) 두 SAM 물질과 페로브스카이트 간의 화학적 상호작용을 통해 페로브스카이트 박막 형성 시 결정성을 향상시킴. (c) 향상된 페로브스카이트 결정성은 페로브스카이트 박막 내 격자 변형을 완화시킴. (d) 또한, 광조사시 페로브스카이트 내 상분리 현상을 억제시킬 수 있음. |
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