반복되는 변형에도 스스로 복구되는 자가치유형 태양전지 개발

반복되는 변형에도 스스로 복구되는 자가치유형 태양전지 개발

 

등록일2022.11.15.

 

 

 

 

반복되는 변형에도 스스로 복구되는 자가치유형 태양전지 개발 
- 새로운 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 시스템 도입 - 
  


□ 수천 번 휘어져도 성능이 저하되지 않는 새로운 페로브스카이트 태양전지*가 국내 연구진의 공동연구로 개발됐다. 
   * 페로브스카이트 태양전지 : 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조(구성 원자에 따라 부도체, 반도체, 도체 등 다양한 특성을 보이는 산화물)를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지

□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 한태희 교수(한양대학교)와 전일 교수(성균관대학교) 공동연구팀이 새로운 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 시스템 기술을 확보하고, 기계적 변형에도 성능이 저하되지 않으며 스스로 성능을 복구하는‘자가치유형(self healing) 태양전지’를 개발했다고 밝혔다.

□ 광물의 일종인 페로브스카이트는 전기전도성이 우수하고 빛을 전기로 전환하는 효율이 높아 차세대 태양전지 개발의 핵심재료로 꼽히지만, 유기물에 비해 유연성과 신축성이 떨어지는 단점이 있다. 
 ○ 특히 차세대 전자기기는 접히는 디스플레이, 사람이 직접 착용하거나 몸에 부착하는 바이오센서 등 높은 신축성과 유연성이 요구되는 형태로 발전하고 있어,

 ○ 페로브스카이트의 부족한 기계적 안정성을 보완할 수 있는 유연하고 신축성있는 소재 및 소자 개발이 필요한 실정이다. 

□ 이에 연구팀은 페로브스카이트 광활성층*의 유연성을 높이고, 반복되는 휘어짐에도 스스로 회복하는 특수 기능기를 포함한 블록공중합체**를 합성하여 이를 페로브스카이트 박막 결정 성장에 활용하였다.  
 ○ 또한 블록공중합체에 포함된 고리화합물은 고분자 공중합체끼리의 수소결합 세기를 제어하도록 설계하였다. 
    * 광활성층 : 태양전지에서 태양 빛을 흡수해 전자와 정공을 분리하고 전력을 만드는 핵심소재층
   ** 블록공중합체 : 2개 이상의 단량체가 사슬형태로 길게 반복되는 고분자

□ 그 결과 화학적 결합과 물리적 결합이 섞여 있는 새로운 형태의‘페로브스카이트-고분자’ 혼합 가교 네트워크가 형성돼 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상되었다. 
 ○ 새로운 태양전지는 광전변환 효율과 수명이 높아졌고 수천 번의 강한 휘어짐 실험에도 성능을 유지했으며, 나아가 수소결합 가역성*에 의해 스스로 성능이 복구되는 특성을 구현하였다.
   * 가역성 : 물체의 운동에 변화가 일어났을 때 일어난 행위를 거꾸로, 즉 원상태로 돌릴 수 있는 능력

□ 연구팀은 “새로운 고분자 기반의 페로브스카이트 결정 성장 방법은 인체친화적 차세대 전자기기에 활용 가능한 고성능, 고안정성 태양전지 개발의 난제 해결에 기여할 수 있을 것”이라며 “앞으로 실제 전자기기에 적용될 수 있도록 대면적화, 대량생산 등의 후속연구가 필요하다”라고 연구의 의의를 밝혔다. 

□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 8월 4일 온라인 게재되었다.

주요내용 설명

 <작성 : 한양대학교 한태희 교수>


논문명
Spontaneous Hybrid Cross-Linked Network Induced by
Multifunctional Copolymer toward Mechanically Resilient
Perovskite Solar Cells
저널명 
Advanced Functional Materials
키워드 
metal halide perovskite(금속 할라이드 페로브스카이트), block copolymer(블록공중합체), flexible solar cell(유연 태양전지), self-healing solar cell(자가치유 태양전지)
DOI
https://doi.org/10.1002/adfm.202207142
저  자
한태희 교수(제1저자 및 교신저자/한양대학교), 전일 교수(교신저자/성균관대학교), 양양 (Yang Yang) (공동 교신저자/University of California Los Angeles(UCLA)), 예핀 자오(Yepin Zhao) (공동 제1저자/UCLA), 윤정진 (공동 제1저자/Pennsylvania State University)


1. 연구의 필요성
 ○ 유연성과 신축성을 갖추어 휘어지고 늘어나도 성능이 저하되지 않는 태양 전지의 개발은 미래에 사용될 차세대 휴대용, 입을 수 있는 전자기기의 전력 수급을 가능하게 한다는 점에서 많은 주목을 받고 있다. 
○  유기물로 만들어진 유기 태양전지의 경우에는 기계적 안정성으로 인해 실리콘 등으로 만들어진 무기물 태양전지에 비해 유연하지만 유기 태양 전지의 광전자변환 효율이 많이 떨어지는 단점이 있어 실제 적용이 쉽지 않다. 
 ○ 반면, 할라이드 페로브스카이트라는 신소재는 중간정도의 기계적 안정성(유연성)과 함께 무기물 기반의 태양전지와 유사한 정도의 광전 변환 효율을 갖고 있어 유연/신축성 태양 전지 응용 가능성이 주목받고 있다. 
 ○ 하지만 페로브스카이트 소재 자체의 유연성이 유기물의 유연성에 비하여 떨어지기 때문에 이러한 페로브스카이트의 부족한 기계적 안정성을 보완할 수 있는 방향의 소재 및 소자 개발이 필요한 실정이다.

 2. 연구내용 
 ○ 연구팀은 태양전지의 페로브스카이트 광활성층 유연성을 증가시키고, 더 나아가 여러 번 휘어져도 스스로 회복하는 ‘셀프 힐링 (self healing)’이 가능한 태양전지를 실현하기 위하여 특수 기능의 여러 기능기를 포함하는 블록공중합체를 합성하여 페로브스카이트 박막의 결정 성장에 활용하였다. 
○ 이 공중합체는 탄성 중합체 블록을 포함하여 페로브스카이트 박막의 기계적 유연성을 증가시키고, 루이스 염기 기능기를 포함하여 페로브스카이트 표면에 생성되는 결함을 치료하도록 하였다. 또한 공중합체에 포함된 고리화합물은 고분자 공중합체끼리의 수소결합의 세기를 제어하는 역할을 하도록 설계하였다. 
○  이러한 공중합체를 페로브스카이트 광활성층에 활용하면 화학적 결합과 물리적 결합이 섞여 있는 ‘하이브리드 크로스링킹 네트워크 (hybrid crosslinked network)를 형성하여 기계적 안정성을 크게 향상시킴을 보고하였다. 이를 통해 높은 광전변환효율 (power conversion efficiency)과 긴 태양전지의 작동 수명을 구현하면서도, 반복되는 휘어짐에도 잘 버티고 더 나아가 수소결합의 가역성에 의하여 스스로 복구되는 셀프힐링도 실현하였다.

3. 연구성과/기대효과
 ○ 차세대 전자소자의 형태로 기대되는 인체 친화적 유연성/신축성을 갖춘 휴대용, 입을 수 있는 전자소자의 태양 빛을 통한 손쉬운 에너지 수급을 가능하게 하는 개발로서 기대된다. 
○ 태양 전지의 기계적 유연성을 크게 증가시키고 반복된 휘어짐에도 셀프힐링 기능으로 성능을 회복하게 함으로써 실제로 휴대용 전자기기에 사용 가능한 형태의 고성능, 고안정성 태양전지의 개발이라는 측면에서 향후 발전 가능성이 크다.


그림 설명



(그림1) 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 네트워크 형성에 따른 기계적 변형에 대한 안정성 및 자가 치유 메커니즘

(왼쪽) 페로브스카이트와 화학적으로 결합하는 기능기, 고분자 사슬끼리 수소결합을 형성하는 기능기, 그리고 탄성중합체를 포함하는 블록공중합체도입에 따른 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 네트워크 형성. 
(오른쪽) 굽힘/늘림과 같은 기계적 변형에 의해 고분자 사슬간의 수소 결합이 끊어지며 에너지를 효과적으로 소진하고, 끊어진 수소결합이 다시 결합하며 자가 치유되는 메커니즘.

그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 한태희 교수


(그림2) 유연 자가치유형 페로브스카이트 태양전지 사진(좌), 일반 페로브스카이트 태양전지와 혼합 가교 네트워크를 형성하는 페로브스카이트 태양전지의 굽힘 변형의 반복 횟수에 따른 광전변환효율의 변화와 열처리에 의한 자가치유 양상 비교(우) 

(왼쪽) 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 네트워크 도입을 통하여 구현된 자가치유형 유연 태양전지의 사진
(오른쪽) 굽힘 변형의 횟수가 늘어감에 따라서 급격하게 광전변환 효율이 줄어드는 일반적인 페로브스카이트에 비하여 본 연구팀이 개발한 혼합 가교 네트워크가 도입된 페로브스카이트 태양전지는 기계적 변형에 대한 성능의 변화가 적고, 간단한 열처리에 의해 다시 예전의 광전변환효율을 다시 회복하는 자가치유 특성을 보임.

그림설명 및 그림제공 : 한양대학교 한태희 교수

연구 이야기


                                           <작성 : 한양대학교 한태희 교수>
□ 연구를 시작한 계기나 배경은? 

유비쿼터스 시대가 도래함에 따라, 휘어지고 늘어나도 성능이 저하되지 않는 휴대용 디스플레이와 전자 기기가 학계, 산업계에서 활발히 연구되고 있는 추세이다. 특히, 새로운 형태의 미래 디스플레이/전자 소자로의 전력 수급을 위해서는 인체 친화적이면서 유연성과 신축성 모두를 갖춘 태양 전지의 개발이 반드시 동반되어야 하는 상황이다.  페로브스카이트 광흡수층 소재의 경우, 광전자적 특성은 우수하지만 기계적 변형에 대한 안정성은 유기발광다이오드(OLED) 등의 유기전자소자에 사용되는 유기물에 비하여 매우 낮은 단점이 있다. 학위 과정에서 전공했던 유기전자소재/소자에 대한 전공지식을 바탕으로 페로브스카이트 소재에 여러가지의 기능을 갖춘 유기물 고분자를 새롭게 디자인하여 페로브스카이트 결정 성장 과정에 도입 하고, 이를 통해 유기물의 기계적 안정성과 무기물의 전자/전기적 장점을 함께 갖춘 새로운 형태의 태양전지를 개발하게 되었다.


□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

종래의 유연/신축성 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구는 일반적으로 태양전지에서 가장 중요한 역할을 하는 광흡수층 (페로브스카이트) 소재의 근본적 개선보다는 기판, 전극, 전하 수송층 등의 광흡수층을 제외한 소재 개발에 집중되어 있었다. 
본 연구팀은 태양 전지의 가장 핵심적인 소재의 기계적 특성을 직접 개선하고, 자가치유가 가능한 새로운 형태의 페로브스카이트-고분자 광흡수층 개발하여 페로브스카이트 태양전지의 광흡수층의 기계적 불안정성을 근본적으로 해결하는 방법을 새롭게 제시하였다.


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

차세대 전자소자의 형태로 기대되는 인체 친화적 유연성/신축성을 갖춘 휴대용, 입을 수 있는 전자소자의 태양 빛을 통한 손쉬운 에너지 수급을 가능하게 하는 개발로서 기대된다. 태양 전지의 기계적 유연성을 크게 증가시키고 반복된 휘어짐에도 셀프힐링 기능으로 성능을 회복하게 함으로써 실제로 휴대용 전자기기에 사용 가능한 형태의 고성능, 고안정성 태양전지의 개발이라는 측면에서 향후 발전 가능성이 크다. 향후 실질적 산업 활용을 위해서는 본 기술의 대면적화 및 대량 생산의 기술 개발이 필요하다.