기술과 솔루션
화학(연), 높은 효율과 열안정성 모두 잡아… 페로브스카이트 태양전지 분야 세계 선도
작성자 : 이용우
2018-07-11 |
조회 : 2458
- 1㎠ 소자 세계 최고 효율 20.9% 공인인증, 네이처 에너지(IF=46.859) 논문 게재
- 높은 열안정성 지닌 새로운 정공 수송 소재 개발하여 고효율과 장기 안정성 동시 확보
한국화학연구원 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀은 페로브스카이트* 태양전지를 구성하고 있는 새로운 소재를 개발해 전지의 열안정성을 높이고 1㎠ 소자 세계 최고 효율(20.9%)을 기록했다. 본 성과는 네이처 에너지(Nature Energy, IF=46.859) 7월 9일자(현지일자) 온라인판에 게재되었다.
* 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질로 AMX3 화학식을 갖는 구조체(A, M은 양이온, X는 음이온, 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명함)
페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 태양전지가 상업화되려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율과 실제 태양전지 구동 환경에서의 높은 온도에 대한 열안정성이 동시에 높아야 한다. 하지만 지금까지는 페로브스카이트 태양전지에서 고효율과 열안정성을 동시에 만족시키기 어려웠다. 화학(연) 연구팀은 효율을 높게 유지하면서 열안정성도 동시에 만족시키는 기술을 개발한 것이다.
페로브스카이트 태양전지 단면은 총 세 개의 층으로 이루어져 있다. 맨 위에는 물질의 정공*을 이동시키는 정공 수송 층이, 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물층이, 아래에는 전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다. 태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물층의 전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생한다. 이때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하는데 정공을 운반하는 층을 정공 수송 층이라고 한다. 연구팀은 이 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를 개발한 것이다.
* 정공 : 반도체 내에서 전자가 부족한 상태를 나타내는 가상의 입자로서, 전자와는 반대로 양의 전하를 띈다.
‘DM’으로 명명된 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에 최적화된 에너지 레벨*을 지녔다. 이러한 특성은 태양전지의 개방전압을 높이는 데 결정적인 영향을 끼쳤다. 개방전압은 태양전지의 효율을 측정하는 주요 기준으로, 본 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 단위 소자 면적(0.1㎠)보다 10배 큰 1㎠ 소자에서도 높은 효율을 보였다.**
* 에너지 레벨 : 물질의 전기적 특성에 관한 고유값(원자, 분자 혹은 고체 물질 등과 같이 양자역학적 계에서 형성된 전자들이 존재할 수 있는 양자화된 상태들이 가지는 에너지 값)
** 태양전지 소자 효율은 단위 면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율을 의미한다. 소자 효율을 측정하는 항목에는 개방전압, 단락전류밀도, 성능지수가 있는데, 본 기술은 개방전압을 높였다. 전압이 높으면 태양전지의 효율이 향상된다.
또한, 기존 정공 수송 소재인 Spiro-OMeTAD 소재가 가지고 있는 취약한 열안정성을 극복했다. 신규 개발된 소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보인다.
본 결과는 같은 면적 1㎠에서 지난 2017년 기록한 19.7%의 효율(사이언스지 게재)을 약 1년여 만에 갱신한 성과다. 한편, 화학(연)에서 지난해 11월 미국재생에너지연구소(NREL) 차트의 단위 소자 면적 세계 최고 효율(22.7%)을 기록한 기술과는 다른 기술이다. 그러나 성능 면에서 지난해 기술에 버금가는 우수한 결과*다.
* 2017년 22.7% 효율은 단위 소자인 0.1㎠에서의 결과이며, 올해 본 기술을 적용한 결과는 단위 소자에서 22.6%, 그 10배 면적인 1㎠에서는 20.9% 효율이다(1㎠ 세계 최고 효율).
화학(연) 서장원 박사는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 열안정성을 동시에 확보하여 상용화 가능성을 높였다는데 큰 의미가 있다. 앞으로 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에 힘쓰겠다”고 향후 계획을 밝혔다.
공동교신저자로 참여한 화학(연) 이재민 박사는 “이번에 새롭게 개발된 정공 수송 소재는 유기화합물로 이루어져 있다. 앞으로, 우리나라가 강점을 가지고 있는 유기반도체 소재 분야와 페로브스카이트 태양전지 분야의 협업이 더욱 활발해질 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 화학(연) 주요사업 및 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 학문후속세대 대통령포스닥사업의 지원으로 수행되었다.
- 논문명: A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar cells (DOI:10.1038/s41560-018-0200-6)
- 저자정보: 화학(연) 서장원 박사(공동 교신저자), 이재민 박사(공동 교신저자), 전남중 박사(공동 제1저자), 나혜진 연구원(공동 제1저자), 정의혁 박사(공동 제1저자)
연구내용
본 연구팀은 고품질 페로브스카이트 박막 구현을 위해 다양하고 획기적인 기술의 개발을 통해 상대적으로 단기간에 괄목할 만한 소자 성능 향상을 이루었다. 상용화를 위해서는 고효율 이외에 장기 안정성과 소자의 대면적화에 관한 연구 또한 상당히 중요하다. 기존에 사용되는 spiro-OMeTAD는 낮은 유리전이온도(Tg)와 흡습성이 있는 첨가제의 도입 (Li-TFSI, tBP)으로 인해 소자의 안정성을 저해한다고 알려져 있다. 이를 극복하기 위해 페로브스카이트 태양전지 구성 요소 중 열적으로 가장 취약한 spiro-OMeTAD를 화학적으로 간단하게 개질하여 상용화를 위한 세 가지 요소를 모두 확보할 수 있는 방안을 개발하였다.
본 연구는 spiro-OMeTAD 구조(그림 1 위 왼쪽)의 말단을 기존의 methoxy phenyl-에서 구조적으로 평면성이 높고 electron donating이 약한 fluorene을 도입한 DM(그림 1 위 오른쪽)을 설계하고 합성하였다. 상대적으로 electron donating 능력이 약한 말단이 도입된 DM은 spiro-OMeTAD대비 낮아진 highest occupied molecular orbital (HOMO) energy level을 보였다.(그림 1 아래 왼쪽) 이는 본 연구에서 사용한 페로브스카이트 층의 valance band maximum(VBM)의 줄어든 energy offset으로 감소한 energy loss를 확보할 것으로 예상된다. DM은 spiro-OMeTAD대비 40∘C 높은 유리전이온도를 보이며 향상된 물질의 열적 안정성을 확인하였다.(그림 1 아래 오른쪽)
그림 1. (위 왼쪽) spiro-OMeTAD, (위 오른쪽) DM 의 화학 구조식, (아래 왼쪽) 해당 물질을 도입한 페로브스카이트 태양전지 각 층의 에너지 레벨, (아래 오른쪽) spiro-OMeTAD와 DM의 열적 특성
Energy level 조절을 통해 DM 기반의 페로브스카이트 태양전지는 spiro-OMeTAD 기반의 태양전지에 비해 향상된 개방회로전압(VOC)를 얻었다.(그림 2 위 왼쪽) 증가한 VOC를 기반으로 22% 이상의 높은 효율을 나타냈으며, 이 효율은 이전 발표되었던 22.1% (2017년 Science 발표)에 비해 향상된 효율이다. 또한, DM을 1㎠ 면적의 태양전지에 적용하였을 때, 20.9%의 전력 변환 효율을 보였고 이는 공인인증을 받았다. 위 효율은 지금까지 보고된 1㎠ 면적의 페로브스카이트 태양전지 중 최고 효율이며, 모듈로 도입 가능성을 충분히 증명할 수 있는 의미 있는 결과이다. 증가한 효율에 더불어 DM 기반의 태양전지는 spiro-OMeTAD를 도입한 태양전지에 비해 60~80℃ 내의 온도에서 높은 열안정성을 보였다.(그림 2 위 오른쪽) DM 기반 태양전지의 장기 안정성을 확인할 결과, 500시간 동안 60℃의 온도에서 보관한 태양전지의 효율(21.2%)은 초기 태양전지의 효율(22.3%)에 비해 95%를 유지하는 우수한 열안정성을 보였다.
그림 2. (위 왼쪽) spiro-OMeTAD를 도입한 페로브스카이트 태양전지와 DM을 도입한 태양전지의 에너지 변환 효율, (위 오른쪽) 각 해당 태양전지의 온도별(60℃, 70℃, 80℃) 열안정성 비교, (아래) DM을 도입한 페로브스카이트 태양전지의 60℃에서 장기 열안정성
기대효과
이번 연구는 정공 수송 소재의 화학적 개질을 통해 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 더불어 대면적화, 안정성 확보를 동시에 구현할 수 있음을 밝혔다. 본 연구에서 개발한 정공 수송 물질은 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 한 걸음 더 나아가게 만들었다.
이는 기존 상용화된 단결정 실리콘 태양전지나 박막형 태양전지의 광전 변환 효율에 근접한 성능으로 차세대 태양전지의 상용화에 적극적으로 활용될 것으로 전망한다. 또한 본 연구에서 적용한 말단 개질의 전략은 추후 더욱 우수한 정공 수송 물질 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대한다.
