비공액고분자 박막으로 페로브스카이트 성능 저하 극복

비공액고분자 박막으로 페로브스카이트 성능 저하 극복

 

등록일2022.11.16.

 

 

 

 

비공액고분자 박막으로 페로브스카이트 성능 저하 극복 -고품질·고효율 차세대 태양전지 개발의 실마리 마련- 

 
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 이광희, 김희주 교수(광주과학기술원), 서홍석 교수(부산대학교) 공동연구팀이 페로브스카이트* 태양전지의 성능을 저하 시키는 요인인 비방사재결합**을 억제하여 고성능·고안정성의 태양전지를 개발했다고 밝혔다.
   *  페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목 받음. 
   ** 비방사재결합(nonradiative recombination): 태양전지 작동 시 생성된 정공과 전자가 각 전극으로 이동하지 못해 전기에너지로 전환되지 않고 서로 재결합하면서 열에너지로 방출되는 현상.

□ 태양전지의 안정성과 효율성을 저해하는 비방사재결합은 태양전지가 빛을 흡수해 작동하는 동안 열에너지로 에너지가 손실되는 현상으로, 페로브스카이트 물질 자체의 결함과 태양전지 작동 시 전극과 태양전지 사이에 고여 있는 소수 전하 운반체*에 의해 발생한다. 
 ○ 세계적으로 이를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행되어 왔지만, 증착* 및 고온 열처리와 같은 복잡한 공정을 통해 물질자체의 결함 또는 소수 전하 운반체에 의한 문제 중 하나만 해결하고 아직까지 전체를 억제하는 방법은 찾지 못한 실정이다. 
     * 전하 운반체(charge carrier): 전하를 띠고 운동하는 입자 (전자, 정공)
     * 증착(evaporation): 물질을 고온으로 가열 및 증발시켜 견고한 박막을 제조하는 방법
□ 이에 연구팀은 새로운 비공액고분자*를 개발하고, 간단한 용액공정을 통해 페로브스카이트 박막 하부층에 얇은 막 형태로 접목시켜 비방사재결합을 근본적으로 해결하였다. 
 ○ 새로운 비공액고분자 층은 페로브스카이트 물질의 태양빛 흡수를 방해하지 않으며, 고품질 페로브스카이트 결정 성장을 유도해 내부 결함을 효과적으로 감소시켰다.  
 ○ 또한, 이온성 기능기를 도입하여 페로브스카이트 물질에서 생성된 전하를 하부 전극으로 효과적으로 추출하고, 더욱 향상된 전하 수송능력으로 태양전지 성능 향상에 기여했다.  
   * 비공액고분자(non conjugated polymer): 고분자물질을 이루는 단위체 간에 연결이 단일결합으로 이루어진 고분자. 전자가 비편제화되어 있지 않아 일반적으로 부도체적인 성질을 가짐. 

□ 연구팀은 신규소자 구조가 기존 구조의 페로브스카이트 태양전지보다 높은 개방 전압과 광전류를 보여 24.4%의 에너지 전환효율을 기록하고, 약 700시간 태양광 노출 실험에서 초기 효율 대비 7%만 감소하여 우수한 광안정성을 나타냄을 확인하였다. 

□ 이광희 교수는 “이번 연구를 통해 페로브스카이트 물질의 성능저하의 근본적인 원인을 해결할 수 있는 실마리를 제시했다”라며 “향후 태양광 모듈 및 건물 일체형 태양전지 개발 등 실생활과 밀접한 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”라고 밝혔다. 
 
□ 과학기술정통부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌연구실사업, 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 8월 27일 온라인 게재되었다.

주요내용 설명

   <작성 : 광주과학기술원 이광희 교수>

논문명
Efficient and stable perovskite solar cells with a high open-circuit voltage over 1.2 V achieved by a dual-side passivation layer
저널명 
Advanced Materials
키워드 
organometal halide perovskite (유·무기 혼합 페로브스카이트), perovskite solar cell (페로브스카이트 태양전지), nonconjugated polymer (비공액성 고분자), interface engineering (계면 공학), nonradiative recombination (비방사 재결합)
저  자
이광희 교수(대표 교신저자/GIST), 서홍석 교수(공동 교신저자/PNU), 김희주 교수(공동 교신저자/GIST), 김주현(제1저자/GIST), 김용윤 박사(공동 1저자/SWAN)


1. 연구의 필요성
○  페로브스카이트 태양전지는 가볍고 유연할 뿐만 아니라 효율면에서도 기존의 상용화된 실리콘 기반의 태양전지와 비슷한 수준의 단위소자 효율을 보이고 있다. 하지만 페로브스카이트 태양전지의 효율을 지속적으로 향상시키는 것은 향후 태양에너지의 발전단가를 낮추어 신재생에너지 보급을 늘리며 나아가 지구온난화 같은 기후변화 문제의 해결을 위한 탄소중립사회로 가기 위해 반드시 필요하다.
○ 고성능의 페로브스카이트 태양전지를 개발하기 위해서는 성능을 저해시키는 주요 원인 중 하나인 비방사 재결합을 억제시키는 것이 중요하다. 비방사 재결합은 태양전지 효율뿐만 아니라 안정성 저하에도 큰영향을 주기 때문이다. 페로브스카이트 물질 내의 비방사 재결합은 물질 자체의 결함과 태양전지 작동 시 전극과 태양전지층 사이에 고여있는 소수의 전하에 의해 발생한다.
○ 최근 비방사 재결합을 야기시키는 요인을 제거하기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 두 가지 요인 (물질 자체의 결함, 전극과 태양전지층 사이에 존재하는 소수 전하들)을 모두 제거해야 페로브스카이트 태양전지의 성능을 향상시킬 수 있으므로, 이를 해결하기 위한 근본적인 접근법이 필요하다.
2. 연구내용
○ 연구팀은 비방사 재결합을 일으키는 주요한 요인인 물질 자체의 결함과 태양전지 작동 시 소자 내부에 존재하는 소수의 전하를 효율적으로 억제시키기 위해 신규 비공액 고분자 물질을 개발하였다.
○ 연구팀은 개발된 신규 비공액 고분자 물질을 페로브스카이트 층 하부에 도입하여 고품질의 페로브스카이트 박막성장을 유도하여 물질 자체의 결함을 줄였다. 또한, 신규 비공액 고분자층은 페로브스카이트 층에서 생성된 광전하들을 효율적으로 전하수송층으로 추출할 수 있도록 하였고, 이는 신규 비공액 고분자층 자체의 높은 전하 수송 능력이 소자 내부에 존재하는 소수의 전하를 효과적으로 억제한 것이다. 
○ 따라서, 하나의 층을 도입하여 비방사 재결합을 유도하는 두 가지 주요한 요인을 동시에 억제시켰다. 이는 페로브스카이트 태양전지에 대한 전기발광특성 실험을 통해 전기발광 내부 양자 효율이 3배 이상 증가함으로써 확인되었다.
○ 본 연구팀이 개발한 신규 고분자 박막층을 적용시킨 페로브스카이트 태양전지는 기존의 태양전지에 비해 높은 개방 전압, 광전류를 보여 24.4%의 에너지 전환효율을 기록하였다. 또한 약 700시간 동안 빛에 노출에도 초기효율의 7%만 감소하는 높은 광안정성을 나타내었다.

3. 연구성과/기대효과
○ 본 연구팀은 페로브스카이트 태양전지 성능저하에 가장 큰 영향을 미치는 비방사 재결합을 간단한 용액공정이 가능한 신규 비공액고분자 계면층을 통해 억제시킴으로써 높은 효율과 안정성을 유지하는 태양전지 소자를 개발하였다. 향후, 본 기술은 실리콘/페로브스카이트 태양전지 기반의 초고효율 태양전지, 건물일체형 태양전지, 차량형 태양전지등에 응용 가능할 것으로 기대된다.
○ 페로브스카이트 물질의 비방사 재결합을 저해시키는 이번 연구는 태양전지뿐만 아니라 페로브스카이트 물질을 사용하는 전계발광다이오드, 박막 트랜지스터 같은 다른 광전자 소자에도 적용이 가능할 것으로 기대된다.

그림 설명




(그림1) 본 연구에서 개발한 비공액고분자 구조 및 특징 (위), 이를 이용한 페로브스카이트 태양전지의 성능 증가 설명 그림.  
- 본 연구에서 개발한 신규 비공액 고분자 구조 및 각 작용기의 역할에 대한 설명으로써 기존의 반도체소자에 많이 활용되는 유기 단분자를 물질의 코어로 사용하였으며 더욱 효율적인 전하 수송을 위하여 이온성 작용기를 접목시켰다. 더 나아가, 물질의 가공성을 위하여 비공액 고분자 형태로 물질을 디자인 하였으며 실제로 개발된 고분자 물질을 전하 수송층과 페로브스카이트 광 활성층 사이에 적용하였을 때 기존의 성능적 손실을 해결함으로써 태양전지에서 생성된 전하가 손실 없이 원활히 이동하였다.



그림설명 및 그림제공 : 광주과학기술원 이광희 교수


그림 설명




(그림2) 본 연구 기술을 통해 향상된 전기발광 내부양자효율 그래프 (가), 전류-전압 곡선 (나), 태양전지 효율 히스토그램 (다), 광안정성 그래프 (라). 
- 본 연구에서 개발한 고분자물질을 페로브스카이트 태양전지에 적용하였을 때 비방사재결합 손실이 얼마나 줄어들었는지 확인하기 위해 전기발광 내부양자효율을 측정하였으며 기존 소자대비 3배 이상의 높은 내부양자 효율을 얻음으로써 비방사재결합 손실이 효과적으로 줄었다는 것을 확인하였으며 이를 통하여 태양전지 효율 및 안정성이 획기적으로 증가하였다. 

그림 설명 및 제공 : 광주과학기술원 이광희 교수


연구 이야기

                          <작성 : 광주과학기술원 이광희 교수>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

전 세계적으로 탄소 중립 사회를 목표로 하는 추세에 따라 신재생에너지 사용이 필수적 이게 되었습니다. 이러한 현 상황에서 신재생에너지 중 태양에너지는 많은 비중을 차지하고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지는 최근 상용화된 실리콘 기반의 태양전지와 비슷한 수준의 단위소자 효율을 나타내면서 가볍고 휘어질 수 있어 차세대 태양전지로 급부상하고 있습니다. 하지만 여전히 화력발전 이하의 경제력 있는 발전단가를 위해선 더욱 고성능의 태양전지가 필요합니다. 이에 따라 저희 연구진은 페로브스카이트 태양전지의 성능저하를 일으키는 요인 중 하나인 비방사 재결합에 대해 집중하였으며 이를 저해 시켜 더욱 고성능의 페로브스카이트 태양전지를 개발하고자 하였습니다. 


□ 이번 성과, 무엇이 다른가? 

비방사 재결합은 페로브스카이트 태양전지의 성능을 저해시키는 주요 원인 중 하나입니다. 이러한 비방사 재결합은 주로 페로브스카이트 물질 자체의 결함과 태양전지 작동 시에 이동하지 못하고 내부에 남아있는 전하들에 의해서 발생 됩니다. 이번 연구 성과는 간단한 용액공정을 통한 박막형태의 고분자 층을 태양전지에 도입함으로써 비방사 재결합을 일으키는 두 가지 요인을 한번에 억제시켜 기존의 태양전지 대비 더욱 고성능의 태양전지를 개발했다는 것에 의의가 있습니다. 


□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는? 

우리나라는 현재 전 세계적으로 페로브스카이트 태양전지 분야를 선도하고 있습니다. 이러한 세계적인 기술력에 본 연구 성과를 접목하여 더욱 고성능의 태양전지를 개발할 수 있으며 이를 이용한 초고효율 실리콘/페로브스카이트 탠덤형 태양전지, 건물 일체형 태양전지, 소형 전자기기의 보조전원, 차량형 태양전지 등 다양한 분야에 활용이 가능할 것으로 기대됩니다. 이를 위해선 다양한 학제 간의 공동연구가 필요하며 나아가 산업체와의 협력을 통해 실험실 스케일을 넘어 실생활에서 적용 가능한 제품으로 나아갈 수 있는 연구가 필요합니다.




연구자 소개


<이광희 교수, 대표 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 지스트(광주과학기술원) 신소재공학부


2. 학력
 ○ 1995  University of California at Santa Barbara (UCSB) 박사 (물리학)

3. 경력사항
 ○ 2012 ~ 현재 광주과학기술원 신소재공학부 교수
 ○ 2018 ~ 현재 광주과학기술원 차세대에너지연구소 소장
 ○ 2007 ~ 현재 광주과학기술원 히거신소재연구센터, 부센터장
 ○ 1997 ~ 2006 부산대학교 물리학과, 조교수/부교수
 ○ 1995 ~ 1997 University of California at Santa Barbara (UCBS), 박사후연구원
 ○ 2021 과학기술정보통신부 과학기술인 훈장 혁신장 수상
 ○ 2013 안정행정부 과학기술 포장 수상
 ○ 2010 교육과학기술부 지식창조대상 수상
 ○ 2010 경암교육문화재단 경암학술상 수상

4. 전문분야 정보 : 신소재공학(전도성 고분자 및 유·무기 소재를 이용한 소자)

5. 연구지원 정보
 ○ 2017 ~ 현재 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구실사업(글로벌연구실)
 ○ 2020 ~ 현재 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 

<서홍석 교수, 공동 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 부산대학교 화학과

2. 학력
 ○ 1986 : University of Texas at Austin 박사 (화학)

3. 경력사항 
  ○ 2017 ~ 현재 부산대학교 화학과 석학교수
  ○ 1993 ~ 2020 부산대학교 화학과, 조교수/부교수/교수 
  ○ 1988 ~ 1993 Novartis Coporation, 선임연구원
  ○ 1987 ~ 1988 Columbia University, 박사후연구원
 
4. 전문분야 정보
 ○ 유기화학 (유기 단분자/고분자 소재 합성 및 광전자 소재 연구)











<김희주 교수, 공동 교신저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 지스트 에너지융합대학원

2. 학력
 ○ 2006 : 부산대학교 박사 (물리학)

3. 경력사항 
 ○ 2020 - 현재  : 지스트, 에너지융합대학원, 부교수(특별전임)
 ○ 2017 - 2020  : 지스트, 융합기술학제학부, 부교수(특별전임)
 ○ 2015 - 2016 : 지스트, 차세대에너지연구소 연구부교수
 ○ 2011 - 2014 : 지스트, 차세대에너지연구소 위촉연구원
 ○ 2007 - 2010 : 지스트, 신소재공학과 박사후 연구원
 ○ 2003 - 2006 : 한국화학연구원, 연구원
 
4. 전문분야 정보
 ○ 신소재공학 (유·무기 소재를 이용한 태양전지소자) 

5. 연구지원 정보
 ○  2017 ~ 현재 : 과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구실사업(글로벌연구실)

<김주현, 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소 속 : 지스트(광주과학기술원) 신소재공학부                       

2. 학력
 ○ 2019 ~ 현재 : 지스트 신소재공학 박사과정

3. 경력사항
 ○ 2018 ~ 2019 : 지스트 신소재 공학 석사
 ○ 2015 ~ 2017 : 단국대학교, 위촉연구원

4. 전문분야 정보
 ○ 신소재 공학 (유·무기 혼합 반도체)

 <김용윤 박사, 제1저자>

1. 인적사항
 ○ 소  속 : 스완지 대학교
  



2. 경력사항
 ○ 2021 ~ 현재 : 스완지대학교 (박사 후 연구원)
 ○ 2017 ~ 2021 : 지스트 차세대에너지연구소 (박사후연구원)
 ○ 2017 ~ 2017 : Imperial College London (박사후연구원)


3. 전문분야 정보
○ 신소재공학 (유·무기 소재를 이용한 태양전지소자)  
               (금속산화물 증공증착 및 분석)