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황철석으로 차세대 태양전지 비전 제시 장시간 성능 유지 고성능 친환경 태양전지 구현 태양광발전이 친환경발전의 대표주자로 세계 에너지시장에서 가파르게 성장하고 있지만, 가격이나 내구성 문제로 인해 상용화가 지연되고 있는 가운데, 최근 국내 연구진이 이러한 문제를 해결할 수 있는 원천물질을 발견해 주목을 받고 있다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 기존의 태양전지 구동에 필요한 핵심부분 중 하나인 정공수송층으로 널리 이용되던 유기물질(spiro-OMeTAD)을 황철석 나노입자로 대체하고, 이를 이용해 친환경적인 고성능·고안정성 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 고민재 박사
기존 태양전지 단점 극복 광전변환 효율 22.1% 달성 현재 상용화되고 있는 태양전지는 실리콘을 사용한 태양전지다. 이와 달리 고민재 박사팀이 개발한 태양전지는 최근 전 세계적으로 활발한 연구가 이루어지고 있는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지다. 이 전지는 기존 태양전지의 유력한 경쟁후보로 부상하고 있다. 특히 최근 한 연구결과에 따르면, 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 연구가 시작된 지 4년 만에 광전변환 효율 22.1%를 달성한 것으로 보고되고 있다. 그러나 태양전지 제작에 사용되는 정공수송체의 가격과 수분에 취약한 단점으로 인해 상용화에 많은 어려움이 있었다. 이번 연구결과는 바로 이러한 부분을 보완하는 획기적인 연구로 기대를 모으고 있다. 태양전지는 빛에너지를 흡수하여 광전자층의 전하와 정공을 분리시키는데, 이 때 발생한 정공을 전극쪽으로 원활하게 이동시키기 위한 정공수송층이라는 부분이 있다. 광전자층으로 사용되는 페로브스카이트 물질자체는 상대적으로 저렴하지만, 페로브스카이트 태양전지의 정공수송체에 사용되는 유기물질(spiro-OMeTAD)은 합성과 정제가 어려워 가격이 백금이나 금같은 귀금속의 10배 수준이다. 그동안 관련학계에서는 가격이 비싼 정공수송체를 대신할 무기물질을 대체하는 연구도 진행됐으나 광흡수층인 페로브스카이트 물질과 무기 정공수송체간의 계면에서 화학반응이 일어나 전지가 손상되어 장시간 작동이 불가능했다. 또한, 유무기 복합 페로브스카이트는 물에 취약하여 대기 중에 존재하는 수분에도 쉽게 손상돼 지속적성능이 유지되지 않았다. 이를 극복하기 위해 표면처리나 다양한 물질들을 삽입함으로써 수분에 대한 안정성을 확보하려는 시도가 있었으나 그 성능과 안정성 면에서 제한적인 상황이었다.
풍부한 소재 … 가격 저렴 화학적 안정·수분 안정성 확보 반면 연구팀이 제시한 황철석은 지구상에 풍부하기 때문에 가격이 저렴하며, 표면성질을 개질하여 페로브스카이트 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아 화학적 안정성과 수분으로부터의 안정성을 확보했다. 고민재박사 연구팀은 기존의 전도성 유기물질(spiro-OMeTAD)을 대체하기 위해 황철석에 개발한 나노입자를 정공수송층으로 사용했다. 연구팀이 개발한 표면을 개질한 신규 무기물질은 주로 방수제의 원료로 사용되는 옥타데실 아민(Octadecyl amine)으로 감싸 비극성 용매에 녹이는 용액공정으로 저온에서 손쉽게 정공수송층 제작이 가능하다. 이렇게 합성된 물질은 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것이 실험을 통해 확인됐고, 이를 도입하여 제작된 페로브스카이트 태양전지는 14.2%의 높은 전력 변환효율을 기록했다. 또한, 연구팀은 1000시간 후에도 화학 반응 및 수분으로부터 안전하게 태양전지가 구동됨을 실험을 통해 입증했다.
‘ Advanced Functional Materials’ 표지논문 장식 고민재 박사는 “이번에 개발된 신규 무기소재는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지의 안전성 향상에 지대한 기여를 했고, 차세대 태양전지의 상업화를 앞당겼다. 광흡수층이나 메모리 소재, 다양한 기기의 전극 등 중요부품으로 활용되어 자리 잡을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구결과는 재료분야 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 11.8)에 표지논문(논문명 -Pyrite-Based Bi-functional Layer for Long-term Stability and High Performance of Organo-Lead Halide Perovskite Solar Cells)으로 게재됐다.
용어설명
1. 정공수송층 페로브스카이트 태양전지 구조에서 페로브스카이트 층 위에 코팅되는 물질이며, 일반적으로 p형 반도체의 성질을 가지고 있다. 페로브스카이트에서 생성된 전하 중 정공이 페로스카이트에서 상부 전극 쪽으로 원활하게 흐를 수 있도록 하는 역할을 한다. 2. 유-무기 페로브스카이트 태양전지 차세대 태양전지 종류 중 하나로서, 2012년 일본의 Miyasaka 교수 연구팀이 처음 발표한 이후 많은 관심을 받아왔다. 유-무기 페로브스카이트는 보통 메틸암모늄 양이온과 요오드화납 음이온이 결합하여 높은 전하이동도와 흡광계수, 대부분의 가시광선영역을 흡수할 수 있는 적절한 밴드갭을 가지고 있기 때문에 차세대 태양전지의 흡광재료로 각광을 받고 있다. 기존의 염료감응형 태양전지와 유기 태양전지에서 사용되는 소자 구조가 그대로 적용되기 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. 2016년 현재 페로브스카이트 태양전지는 광전변환 효율이 22.1%까지 공식적으로 보고되었다. 3. 황철석 화학성분은 FeS2이다. 육면체·팔면체·오각십이면체 등 여러 가지 결정형을 나타내는데, 때로는 괴상·입상을 나타낸다. 지구상에 풍부한 자원중 하나이며 쉽게 관찰된다. 노란 금속광택을 띄기 때문에 일반인들 사이에서 금과 자주 혼동된다. 주요 용도는 황·황산·황산암모늄 등의 제조에 쓰이며, 고무공업·비료용으로도 중요하다. 4. 소수성 친수성과는 반대되는 말로 물을 배척하는 성질을 뜻한다. 물이 표면에 떨어지게 되면 방울 형태로 모이게 되는 성질을 가지며 이러한 물질은 성에가 생기지 않는 유리나 항공기 날개, 식품 포장재 등에 사용되고 있다.
그림설명
[그림 1] (a) 투과전자현미경으로 관찰한 황철석 나노입자 사진 (b) Spiro-OMeTAD 박막과 황철석 나노입자 박막의 접촉각 측정 (c) 황철석 나노입자 박막의 표면거칠기 (d) 전도성 원자간력 현미경을 통한 황철석 나노입자 박막의 전도성 측정
[그림 2] (a) 이번 연구에서 사용한 페로브스카이트 태양전지의 구조(b) 소자 각층의 에너지레벨 (c) 페로브스카이트 태양전지의 전압-전류 곡선 (d) 페로브스카이트 태양전지의 외부양자효율 [그림 3] (a) 상대습도 50%에서 황철석 정공수송층 기반의 페로브스카이트 태양전지의 전력변화
(b)효율 변화 (c) 상대습도 50%에서 1000시간이 지난 뒤 황철석 정공수송층 기반의 페로브스카이트 태양전지를 주사전자현미경 에너지 분산 분석기를 통한 원소 측정
<Energy News>
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