신규 고분자 물질로 고성능·고안정성 플렉시블 태양전지 구현

신일영 기자
입력 2016.08.01 00:00

신규 고분자 물질로

고성능·고안정성 플렉시블 태양전지 구현

웨어러블, 플렉시블 전자소자가 미래를 선도해갈 차세대 전자소자로 두각을 나타내고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 이러한 여러 전자소자들 중 플렉시블 태양전지는 미래 웨어러블 기기 상용화의 핵심기술 중 하나로 그 중요성을 인정받고 있다. 최근 국내 연구진이 높은 성능과 동시에 높은 안정성을 갖는 플렉시블 태양전지를 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드 연구센터 손해정, 고민재 박사팀은 기존 태양전지 내의 핵심부분 중 하나인 정공수송층으로 널리 이용되던 물질(PEDOT:PSS)을 대체할 수 있는 저온공정이 가능한 신소재 고분자 물질을 개발하고, 이를 활용해 고성능·고안정성 플렉시블 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

손해정 박사

태양전지 내의 핵심부분을

저온공정이 가능한 신규 고분자 물질로 대체

유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 분야는 급격한 발전으로 향후 실리콘 태양전지와 경쟁할 수 있을 것이라는 기대를 모으고 있다. 플렉시블 태양전지는 플라스틱 유연기판을 사용하기 때문에 150℃ 이하의 저온공정이 필수적인데, 연구팀이 개발한 신규 고분자물질은 저온에서 용액공정으로 제작 가능한 플렉시블 태양전지에 더 적합한 물질이라고 볼 수 있다. 기존의 페로브스카이트 태양전지는 전극 사이의 경계면 층에 사용되는 물질들이 고온공정이 요구되어 플렉서블 소자 구현에 문제가 있었다. 이를 극복하기 위해 저온공정이 가능한 소자들이 최근 제안되고 있으나 그 성능과 안정성 면에서 제한적인 모습을 보이고 있었다. 가장 문제가 되는 부분은 정공수송층으로 널리 쓰이는 PEDOT:PSS이다. 기존의 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 는 널리 이용되고 있었으나 강한 산성을 지니고 있어 인접한 층의 부식을 가속화시키고, 페로브스카이트와 적합하지 않아 많은 에너지 손실을 야기했다.

고효율 플렉서블 유-무기

페로브스카이트 태양전지 성능향상에 기여

KIST 손해정, 고민재 공동연구팀은 기존의 전도성고분자(PEDOT:PSS)를 대체, <PhNa-1T>라는 신규 고분자를 개발하여 정공수송층으로 사용했다. 이 고분자는 물, 혹은 물과 알콜 혼합용액에서 높은 용해도를 보여 저온에서 용액공정으로 정공수송층 제작이 가능하다. 또한, 기존 물질보다 우수한 전기 전도도를 나타내는 것을 실험을 통해 확인했고, 에너지 손실을 줄일 수 있음을 입증했으며, 이를 이용해 제작된 페로브스카이트 플렉시블 태양전지는 최고 14.7%까지의 높은 전력변환효율을 기록했다. 연구책임자인 손해정 박사는 “이번에 개발된 전도성 고분자소재는 고효율 플렉서블 유-무기 페로브스카이트 태양전지의 성능향상에 기여한 것은 물론, 향후 태양전지 외에 광센서 등 유연 인쇄전자 소자에 중요 부품으로 활용될 것으로 기대된다”고 의미를 뒀다. 이 연구는 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단 지원으로 수행됐다. 연구결과는 재료분야 전문학술지 ‘Advanced Functional Materials’ 7월 5일자 표지논문에 논문명(Improving Performance and Stability of Flexible Planar-Heterojunction Perovskite Solar Cells Using Polymeric Hole-Transport Material)으로 게재됐다.

새로운 정공수송층 소재 적용

ITO 부식억제·안정성 효과

기존의 플렉서블 유기 태양전지는 기계적 유연성은 확보하기 쉬웠으나 효율이 낮은 단점이 있었다. 최근 용액 및 저온공정으로 제조 가능한 유-무기 페로브스카이트 태양전지가 급부상하면서 고효율 플렉서블 태양전지에 적용할 수 있는 가능성이 제시됐다. 그러나 기존에 널리 사용되던 정공수송층은 강산성이기 때문에 산성에 약한 ITO를 부식시켜 소자 수명을 단축시키는 문제점이 있었으며, 낮은 성능으로 광전 변환효율이 낮은 단점이 존재한다. 이러한 관점에서 새로운 정공수송층은 빛을 흡수하는 ITO의 부식을 억제하여 소자의 수명을 늘릴 수 있어야 하며, 높은 성능으로 광전 변환효율이 높은 고안정성-고효율 페로브스카이트 태양전지의 개발이 필요했다.

연구진은 ITO 위에 기존의 정공 수송층으로 사용하는 PEDOT:PSS 대신 PhNa-1T를 사용하고, 그 위에 페로브스카이트 박막, 전자수송층과 금속 후면 전극인 은을 차례로 증착했다. 새로운 정공수송층 소재로 중성의 PhNa-1T는 접촉하고 있는 ITO의 부식을 억제함으로써 기존 PEDOT:PSS기반의 소자보다 높은 안정성을 보였으며, 인캡슐레이션 없이 300시간 후에도 초기효율 대비 66% 이상 유지될 정도로 높은 안정성을 보였다. 또한, 개발한 PhNa-1T 위에 페로브스카이트 박막을 제작했을 때, 균일하고 큰 결정을 형성시킬 수 있어 기존의 PEDOT:PSS 보다 빠른 정공 수송능력을 보이며, 광전변환 효율도 70% 이상 향상시켰다. 이 연구결과는 차세대 태양전지로 각광을 받고 있는 페로브스카이트 태양전지 분야에서 현재 큰 주목을 받고 있다. 또한, 향후 플렉서블 태양전지를 구현하는 데 있어서 매우 중요한 요소이며, 고안정성-고효율 태양전지 구현으로 향후 플렉서블 태양전지 소자연구에 많은 도움이 될 것으로 기대된다.

[그림] (a)연구에서 사용한 페로브스카이트 태양전지의 구조, (b)PhNa-1T의 화학구조, (c)소자 각층의 에너지레벨, (d)정공수송층의 표면 거칠기, (e)정공수송층의 투과도

<용어설명>

1. 정공수송층 : 역구조 페로브스카이트 태양전지 구조(ITO/PhNa-1T/페로브스카이트/전자수송층/은)에서 ITO 위에 코팅되는 PhNa-1T와 같은 정공수송층으로, 페로브스카이트에서 생성된 전하 중 정공이 페로스카이트에서 ITO 쪽으로 원활하게 추출될 수 있도록 도움을 주는 층을 말한다.

2. 유-무기 페로브스카이트 태양전지 : 차세대 태양전지의 종류 중 하나로, 2012년 일본의 Miyasaka 교수 연구팀이 처음 발표한 이후 많은 관심을 받아왔다. 유-무기 페로브스카이트는 보통 메틸암모늄 양이온과 요오드화납 음이온이 결합하여 높은 전하이동도와 흡광계수, 대부분의 가시광선 영역을 흡수할 수 있는 적절한 밴드갭을 갖고 있어 차세대 태양전지의 흡광재료로 각광을 받고 있다. 기존의 염료감응형 태양전지와 유기 태양전지에서 사용되는 소자구조가 그대로 적용 가능하기 때문에 매우 다양한 방식으로 태양전지를 만들 수 있다. 일반적인 구조로는 투명 전극위에 TiO2와 같은 n형 금속산화물 박막이 올라가고, 그 위에 페로브스카이트 박막과 정공수송층 및 금속 전극이 올라가게 된다. 그러나 플렉서블 페로브스카이트 태양전지의 경우 유기 태양전지에서 사용되는 구조가 적용되며, 이를 페로브스카이트 태양전지에서는 역구조라 부른다. ITO-플라스틱 기판위에 정공수송층이 올라가고 그 위에 페로브스카이트 박막과 유기 전자수송층, 금속 전극이 순차적으로 올라가게 된다. 2016년 현재 TiO2 기반으로 한 페로브스카이트 태양전지가 광전변환 효율을 22.1%까지 공식적으로 기록했다.

3. 전력변환 효율 : 정격 최대출력 조건에서 출력전력과 입력 유효전력의 비를 말한다.

4. 인캡슐레이션 : 전자기기의 외부를 덮어 산소나 수분 등의 혹독한 환경 조건으로부터 전자 기기 및 회로선을 보호하는 한편, 보다 장기적인 내구성을 유지할 수 있도록 보호하는 기술.