[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[연구결과 개요]

1. 연구배경

연구배경페로브스카이트 태양전지는 지속적인 연구를 통해 대체에너지 수단으로 각광받고 있다. 기존의 실리콘을 기반으로 한 태양전지에 비해 가격 경쟁력이 우수하고 상대적으로 간단한 공정을 통해 제작할 수 있는 장점이 존재한다. 상용화를 위해 많은 연구가 이루어지고 있고, 특히 전자전달층(elelctron transport layer)을 개선하려는 연구가 활발하다. 화학용액증착법(Chemical bath deposition)은 밀도가 높고 균일한 주석산화물을 형성할 수 있는 증착법으로 뛰어난 전자이동도와 안정성이 높은 특성을 가진다. 또한 기존에 쓰이던 티타늄산화물은 광촉매 특성이 높아 계면간의 결함을 유발하는 반면, 주석산화물은 상대적으로 낮은 광촉매 특성을 가짐과 동시에 전자이동도가 약 250배 가량 높다. 그럼에도 불구하고 주석산화물은 필역적으로 생성되는 산소 공공과 표면결함으로 인해 변형이 가해질 때 쉽게 균열이 생성되고 이로 인해 태양전지의 성능저하를 야기시킨다. 본 연구에서는 주석산화물 박막 위에 산화상태가 높은 주석을 처리하였고 그를 통해 표면결함을 억제하여 소자의 효율을 높임과 동시에 준안정상태의 전압-전류 곡선에서 발생하는 효율 저하를 최소화하였다.

2. 연구내용 

이번 연구에서 적용한 주석(IV) 염화물은 표면에 노출되어 있는 수산화기(-OH)결함을 억제하였다. 또한 물과의 반응으로 생긴 수산화주석이 표면과 결합하여 주석산화물 나노입자를 형성하였다. 이 과정에서 부산물인 염산이 산화물끼리의 입자를 재결정화하는 역할을 하였다. 이렇게 생성된 상대적인 다중접합이 표면을 더 부드럽게하고 전자의 이동을 원활히 하였다. 결과적으로 표면처리된 소자는 25.56%(인증효율 24.92%)를 달성했고 65℃의 열안정성 시험에서 1000시간 동안 80%의 초기성능 유지를 기록했다.

3. 기대효과

페로브스카이트 태양전지가 상용화 되기 위해서는 다양한 인증시험 통과는 필수적이다. 이 연구는 65℃의 열과 자외선에 노출에 장시간 견딤으로써  소자의 인증시험에 큰 도움이 될 것이라 전망한다. 또한 값싼 주석염화물을 사용함으로써 고효율 고강도 저비용을 동시에 구현하는데 의의가 있다.

[용어설명]

1. 전자수송층(electron transport layer)

페로브스카이트에서 생선된 전자-정공 쌍이 각각 회로를 통해 나뉘어서 흐르게 된다. 이 중 전자의 흐름에 유리한 물질로 증착된 박막을 뜻한다.

2. 화학용액증착법(chemical bath depositon)

화학 전구체 용액을 사용하거나 고체 표면에 얇거나 두꺼운 필름을 만드는데 사용하는 기술이다. 비교적 간단하고 복잡한 인프라나 장비가 필요하지 않다. 또한 100℃ 이하의 저온에도 안정적이고 일관된 박막 형성이 가능한 이점이 있다.

3. 산소 공공(oxygen vacancy)

산소 공공 결정 구조에서 산소원자나 이온이 빠져 비어버린 자리를 의미한다. 두 개의 전하를 가진 산소 음이온 하나가 사라지면, 전기적 중성을 맞추기 위해 자유전자가 생성된다.

4. 표면 결함(surface defect)

재료의 표면에서 발생하며 결정 구조의 표면 재구성 또는 산화로 생성된다. 표면 결함은 재료의 기계적, 전기적 및 화학적 특성에 영향을 줄 수 있다.

[그림설명]

그림1. 재결정화에 의해 결정 배향이 일정해진 주석 산화물의 TEM 이미지

무질서한 비정질 주석 산화물이 재결정화를 이루어 다결정의 산화물로 변하는 것을 확인할 수 있다.

그림2. 장기 안정성 (25 ℃ 25% RH) 과 열 안정성 (25 ℃) 시험 결과 및 소자의 효율 그래프

장기 안정성과 열안정성이 초기 효율 80%의 성능을 유지하고 있다. 또한 전류-전압 곡선에서 각 17.2%, 25.3%를 기록하고 있다.