페로브스카이트 단점 없앤 대면적, 유연한(Flexible) 태양전지 만든다

페로브스카이트 단점 없앤 대면적, 유연한(Flexible) 태양전지 만든다

 

연구팀 탄소융합소재연구센터

 

페로브스카이트 단점 없앤
대면적, 유연한(Flexible) 태양전지 만든다.
- 용액분산 그래핀*을 통한 페로브스카이트 결정도 제어 및 소자 성능/안정성 향상
- 저비용/고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 구현  
  *용액분산 그래핀 : 용액공정을 통한 대량생산과 다양한 성능 조절 및 개선이 용이한 그래핀

유·무기 복합 페로브스카이트는 금속, 유기물, 할로겐족(불소, 염소, 브롬 등)이 결합되어 화합물결정구조를 형성한 물질로서 높은 광흡수성과 우수한 전하 이동능력을 기반으로 태양전지의 높은 광전변환효율*을 구현할 수 있는 차세대 소재로 급격하게 부상하고 있다. 또한, 실리콘 등의 기존 무기태양전지에 비해 물질 원가가 매우 저렴하고 용액공정이 가능하다는 장점이 있어, 페로브스카이트 태양전지는 단기간 안에 상업화가 가능할 것으로 전망되고 있다.
*광전변환효율 : 광 에너지를 전기 에너지로 변환되는 효율

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사, 광주과학기술원 신소재공학부 김동유 교수 공동연구팀은 저가소재인 용액분산 그래핀을 이용하여, 고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지를 제작하는데 성공했다.

지금까지 페로브스카이트 태양전지는 많은 가능성을 보였으나, 성능 향상을 위해 계면층으로 삽입되고 있는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 높은 산성과 흡습성이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 단축시키는 단점과 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에만 집중되어 있고, 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구는 초기 단계에 머무르고 있었다.
본 연구팀은 새로운 계면층으로 전기적 전도성, 기계적 유연성, 화학적 안정성을 겸비한 용액분산 그래핀을 도입하여, 기존 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 기반 소자 대비 약 40% 가량 높은 광전변환효율과 약 3배 높은 소자 수명을 구현하였다. 또한, 기존 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 대비, 용액분산 그래핀을 기반한 페로브스카이트 박막은 결정의 방향성 및 결정도가 획기적으로 향상된다는 것을 발견하였다. 이는 그래핀 자체의 우수한 특성 외에, 그래핀과 페로브스카이트의 상호작용이 페로브스카이트 결정 특성 및 전반적인 소자 성능/안정성에 영향을 미친다는 것을 밝혀낸 것이다.

연구팀은 더 나아가, 용액분산 그래핀을 활용하여 페로브스카이트 태양전지 소자 제작에 필요한 모든 세부 조건들을 간단한 용액 공정에 그대로 적용해, 기존 연구용 소자(0.05cm2)보다 200배 큰 10cm2의 대면적 유연(Flexible) 페로브스카이트 태양전지 모듈을 구현하였다.

KIST 탄소융합소재연구센터 조한익 박사는 “용액분산 그래핀의 대면적 소자 응용의 첫 성공사례”라며, “이를 통한 저비용/고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 구현은 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 중요한 초석이 될 것으로 생각한다”고 밝혔다.

본 연구는 미래창조과학부(장관, 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 Elsevier에서 발간하는 나노에너지(Nano Energy, IF: 11.553)에 11월 1일자 온라인 게재되었다. 논문의 제1저자는 박사후 연구원인 여준석 박사이며, 광주과학기술원(김동유 교수)과의 공동연구 결과이다.

 * (논문명) ‘Reduced Graphene Oxide-Assisted Crystallization of Perovskite via Solution-Process for Efficient and Stable Planar Solar Cells with Module-Scales’
      - (제1저자) 여준석 박사후 연구원
     - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 전북분원 조한익 박사
                     광주과학기술원 신소재공학부 김동유 교수
붙임 : 그림설명, 연구결과 개요, 용어 설명, 연구진 이력사항

그림 설명

<그림 1>
(a) 광전류밀도-전압 곡선으로, PEDOT:PSS 기반 소자 대비 용액분산 그래핀(MFGO) 기반 소자의 광전변환효율이 우수한 것을 보여주는 결과이다. 모든 태양전지 성능 평가 요소(개방전압, 단략전류밀도, 충진율)들이 균일하게 상승한 것을 알 수 있다. (b) 페로브스카이트 태양전지를 공기 중에 보관하였을 때, 시간(날)에 따른 광전변환효율의 변화를 나타내는 그래프이다. PEDOT:PSS 소자의 경우 10일이 채 되지 않아 광전변환특성이 사라지는 것이 발견되었고, 용액분산 그래핀 소자의 경우 약 30일까지도 광전변환효율이 약 7%로 유지되는 것을 보여주고 있다.

<그림 2>
해당 그림은 PEDOT:PSS와 용액분산 그래핀(MFGO) 위에서 페로브스카이트 전구체의 결정화 거동에 대한 모식도이다. 작은 이온들 간 이온결합으로 이뤄진 페로브스카이트 결정박막은 PEDOT:PSS와 같은 특정 전하를 띄는 표면보다 용액분산 그래핀과 같은 화학적으로 안정한 표면에서 우수한 결정성을 갖는다는 것을 밝혀냈다.

<그림3>
(a) 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈 구조 모식도와 실제 사진 이미지를 보여주고 있다. (b) 플라스틱 기판 위에 구현하여, 태양전지 모듈의 우수한 기계적 유연성을 확인 할 수 있다. 

용어 설명

1. 용액분산 그래핀
값싼 흑연을 통해 얻을 수 있는 용액분산 그래핀은 기존 그래핀에 비해 용액공정을 통한 대량생산과 다양한 성능 조절 및 개선이 용이해 상용화 측면에서 가능성을 인정받은 재료다. 탄소 원자들이 육각형의 벌집모양으로 서로 연결되어 2차원 평면 구조의 그래핀 구조와 기반하고 있으나, 흑연에서 화학적 박리로 인한 구조 결함이 존재한다.

2. 유·무기 복합 페로브스카이트
페로브스카이트는 물질이 아닌 구조의 이름이다. 일반적으로 서로 다른 금속이 산소와 결합하여 ABO3의 결정을 형성한 금속산화물을 일컫는 용어이다. 하지만, 태양전지에 사용된 페로브스카이트는 금속, 유기물, 할로겐족 (불소, 염소, 브롬 등)이 결합되어 ABX3의 화합물결정구조를 형성한 물질이다. 메틸암모늄, 포름아미디늄 등의 유기물과 납, 주석 등의 무기물과 혼합하여 제작한다. 높은 흡광계수와 뛰어난 전하전이능력을 지니고 있고, 재료 단가가 낮고 저가의 용액 공정이 가능하여 고효율 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있다.

3. 전도성 고분자(PEDOT:PSS)
PEDOT:PSS는 유기전자소자에서 가장 널리 사용되는 정공전달물질로서 수용액상에 분산된 상태로 존재한다. 초기 특성은 우수하나 PSS의 높은 산성으로 인하여 매우 낮은 소자 안정성을 보인다.

연 구 결 과  개 요

Reduced Graphene Oxide-Assisted Crystallization of Perovskite via Solution-Process for Efficient and Stable Planar Solar Cells with Module-Scales

Jun-Seok Yeo, Cheol-Ho Lee, Dawon Jang, Sungho Lee, Seung Mu Jo, Han-Ik Joh, Dong-Yu Kim
Nano Energy, accepted, (2016)

1. 연구배경
ㅇ 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 소재의 원가가 매우 낮고 용액공정이 가능하여 저비용 대량생산이 가능하다는 것과, 높은 광흡수성과 우수한 전하 이동능력으로 인한 고성능 태양전지를 제작할 수 있다는 장점이 있어, 차세대 태양전지 소재로 주목 받고 있다. 
ㅇ 하지만, 성능 향상을 위해 계면층으로 삽입되고 있는 고분자 'PEDOT:PSS'의 높은 산성과 흡습성이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 단축시키는 단점이 있다.
ㅇ 또한, 현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 아직 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에만 집중되어 있고, 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구는 초기 단계에 머무르고 있다.

2. 연구내용
ㅇ 본 연구에서는 상용화의 대표적 요소인 고효율·고안정성·대면적 실현을 위해, 용액분산 그래핀을 활용하여 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다.
ㅇ 용액분산 그래핀을 새로운 계면층으로 도입하여, 기존 PEDOT:PSS 기반 소자 대비 약 40% 가량 높은 광전변환효율과 약 3배 높은 소자 수명을 구현하였다.
ㅇ 기존 PEDOT:PSS 대비, 용액분산 그래핀을 기반하여 성장한 페로브스카이트 박막은 결정의 방향성 및 결정도가 획기적으로 향상된다는 것을 발견하였다. 이는 그래핀 자체의 우수한 특성 외에, 그래핀과 페로브스카이트의 상호작용이 페로브스카이트 결정 특성 및 전반적인 소자 성능/안정성에 영향을 미친다는 것을 밝혀낸 것이다.
ㅇ 더 나아가, 용액분산 그래핀을 활용하여 페로브스카이트 태양전지 소자 제작에 필요한 모든 세부 조건들을 간단한 용액 공정에 그대로 적용해, 기존 연구용 소자(0.05cm2)보다 200배 큰 10cm2의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 모듈을 구현하였다.

3. 기대효과
본 연구 결과는 용액분산 그래핀의 응용처를 확장하였고, 이를 통한 저비용/고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 구현하여 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위한 획기적인 전기를 마련하였다. 또한, 해당 연구 개념을 활용해, 다양한 이종재료 접합을 통한 페로브스카이트 결정도 및 안정성 제어 연구가 이어질 것이라 판단된다. 

조한익 박사 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 조한익
 ○ 소 속 : 한국과학기술연구원 전북분원
            복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터          

2. 주요경력사항 
○ 2010~2010 한국과학기술연구원 박사후 연구원
○ 2010~2013 한국과학기술연구원 연구원
○ 2013~현재  한국과학기술연구원 선임연구원

김동유 교수 (교신저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명 : 김동유
 ○ 소 속 : 광주과학기술원 신소재공학부          
 

2. 주요경력사항 
○ 1999～현재 광주과학기술원 신소재공학부 교수
○ 2005~2006 광주과학기술원 히거신소재연구센터 부센터장  
○ 2013~2015 광주과학기술원 신소재공학부 학부장

여준석 (주저자) 이력사항

1. 인적사항
 ○ 성 명: 여준석
 ○ 소 속: 한국과학기술기획평가원 사업조정본부
 

2. 주요경력사항 
○ 2015～2016 한국과학기술연구원 박사후연구원
○ 2016～현재 한국과학기술기획평가원 부연구위원