한국화학연구원, 초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발… 네이처지 표지논문 게재

한국화학연구원, 초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발… 네이처지 표지논문 게재

 

작성일2021.02.25 11:14

 

한국화학연구원, 초고효율 페로브스카이트 태양전지
소재 개발… 네이처지 표지논문 게재

- 한국화학연구원 연구팀, 초고효율 (25.2%(0.1㎠)) 페로브스카이트 태양전지용 핵심 소재(전자수송층, 페로브스카이트 층) 제조 기술 개발로 국제학술지‘네이처’ 2월 25일자 표지논문 선정 -

※ 이 자료는 국제 엠바고에 따라 2월 25일(목) 오전 1시부터 게재 가능합니다.
국제 엠바고 파기는 연구자에게 치명적일 수 있으니 양해 부탁드립니다.

□ 한국화학연구원 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트* 태양전지의 효율을 획기적으로 향상시킬 수 있는 핵심 소재 기술 개발에 성공해 네이처지(IF=42.778) 표지논문에 선정됐다.
* 페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질과 초전도 현상을 보이는 특별한 구조의 물질로 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념해 명명함

○ 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교했을 때 저렴한 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있어 최근 큰 주목을 받아왔다*. 그러나 기존 실리콘 태양전지의 광전변환효율**에 비해 여전히 효율이 낮아 상용화가 어려운 상황이다. 연구팀이 개발한 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%를 기록***하고, 1㎠ 소자에서는 23%의 세계 최고 효율을 달성하여, 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성을 보여줬다.
* 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다.
** 빛을 전기로 바꿔주는 비율
*** 2019년 9월 NREL(National Renewable Energy Laboratory, 미국신재생에너지연구소) 공식 인증. 당시 세계 최고 효율로 기록됐다.

□ 태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류다. 한국화학연구원 서장원 박사팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 층의 소재 중에서, 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재, 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재를 개발해 효율을 획기적으로 향상시켰다.

[페로브스카이트 태양전지의 구조와 원리. 페로브스카이트 층 소재가 빛을 흡수해 전자와 정공으로 나뉘어져 각각 전자수송층, 정공수송층을 이동해 전극으로 가면서 전기가 발생한다.]

□ 연구팀이 개발한 새로운 전자수송층 소재는 결함이 적어 전자의 수송(이동)을 원활하게 할 수 있다. 전자가 잘 이동하면 전지의 전압이 높아지고, 높은 전압은 높은 효율로 이어진다.

○ 연구팀은 새로운 전자수송층 소재를 만들기 위해 화학용액증착법을 개발했다. 화학용액증착법은 태양전지의 구성 층인 투명 전극 위에 주석산화물 등을 바로 합성시켜 전자수송층을 형성하는 기술이다. 연구팀은 특히 전자수송층으로 사용되는 주석산화물 소재가 강한 산성 환경(pH < 2)에서 결함이 줄어든다는 것을 발견하고, 다양한 합성 변수를 조절해 결함이 적은 전자수송층을 개발하는 데 성공했다.

□ 또한 연구팀은 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재 합성법을 개발했다. 페로브스카이트 층 소재는 원래 ‘페로브스카이트’결정구조로 이루어져 있는데, 이 결정에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여있다. 연구팀은 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더욱 안정적으로 확보하기 위해, 페로브스카이트 층에 투입할 수 있는 적절한 브롬(Br)의 비율을 찾아내 새로운 소재를 합성했다. 그 결과 전지가 더욱 빛을 많이 흡수할 수 있어 전류가 높아졌고 효율이 향상됐다.

○ 위 두 가지 새로운 소재를 통해 전류와 전압을 모두 높인 결과 0.1㎠에서는 25.2%를, 1㎠ 소자에서는 23%의 효율을 기록했으며, 본 연구성과는 ‘Efficient perovskite solar cells via improved carrier management’ 제목으로 네이처지 표지논문에 선정돼 2월 25일에(한국시간) 온라인 발표됐다.
* 연구팀 = 한국화학연구원 화학소재연구본부 서장원 박사(교신저자), 신성식 박사(공동교신저자), 유정완 박사(공동 제1저자), 서갑경 박사과정(공동 제1저자)

□ 한편, 이번 논문에서는 빛을 전기로 바꾸는 전지로서의 성능 외에도 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성을 보여줬다. 발광효율은 지금까지 태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나로 측정됐는데, 전세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 약 5~10%에 그쳤다. 그런데 이번 기술의 발광 효율은 17%로 측정됐다. 이러한 세계 최고 외부 전기발광효율은, 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 만드는 동시에 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명한 결과로 볼 수 있다.

○ 한국화학연구원 서장원 박사는“이번에 보고한 25% 이상의 높은 효율은 이론효율의 80.5%에 해당된다. 앞으로 효율 향상이 좀 더 이루어진다면 26% 이상의 효율도 가능하기 때문에 기존 실리콘 태양전지의 최고효율 26.7%에 근접할 수 있을 것으로 기대한다.”라고 말했다.

○ 공동 교신저자 신성식 박사는 “이번 연구결과를 통해 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있을 뿐만 아니라 밝은 빛을 낼 수 있다는 가능성을 세계 최초로 증명했기 때문에, 앞으로 신재생에너지 분야 외에 디스플레이 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 보인다.”고 밝혔다.

○ 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단), 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업, 한국화학연구원 주요사업, 국가과학기술연구회 창의융합과제 등의 지원을 받아 수행됐다.

※ 첨부파일_ 논문 기술 요약 영상 설명

0-24초: SnO2 전자수송층 개발에 대한 설명
24-56초: 페로브스카이트 소재 개발에 대한 설명
56-1분9초: 고효율 페로브스카이트 태양전지에 대한 설명

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

<붙임>

네이처 표지논문 이미지

 

[표지논문 이미지]

 

 

연구내용 설명

□ 논문명 : Efficient Perovskite Solar Cells via Improved Carrier Management
□ 저자 정보 : 서장원 박사(교신저자, 한국화학연구원 책임연구원), 신성식 박사(공동교신저자, 한국화학연구원 선임연구원), 서갑경 학생 (공동 제1저자, 박사 과정, 한국화학연구원), 유정완 박사 (공동 제1저자, 전문연구요원, 한국화학연구원)

1. 연구배경
화석연료 고갈과 지구 온난화에 대응하기 위해 신재생 에너지 연구개발은 전 세계적으로 중요한 과제이다. 특히 최근 정부는 ‘신재생에너지 3020 이행계획안’을 발표하면서 그 중요성이 더욱 강조되고 있다. 신재생 에너지 중에서도 무한하고 청정한 태양광 발전은 화석연료를 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 예상된다. 최근 태양광 R&D 로드맵에서 실리콘 태양전지를 병행하고 대체할 차세대 기술로 페로브스카이트 태양전지를 주목하고 있다.

무․유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 2009년, 일본의 미야자카(Miyasaka) 교수팀이 최초로 발표한 이후, 단기간에 그 기술이 급속도로 발전해 기존의 CIGS 박막 태양전지 이상의 전력변환효율을 확보했다. 한국화학연구원 연구진은 현재까지 미국신재생에너지연구소(NREL)에서 발표하는 세계 최고효율 차트에 7번 등재했으며, 페로브스카이트 태양전지 분야 연구를 선도하고 있다.

이번 연구는 태양전지 내부에서 빛을 받은 후 생성되는 전하들이 에너지를 잃지 않고 효율적으로 전류로 변환될 수 있도록 유도하는 기술을 개발하였다. 소자의 특정 층만 개선하여 효율 증가를 얻은 연구가 아니라 소자를 전체론적으로 이해하여 문제점을 개선하는 접근법을 이용하여 NREL 최고효율 차트를 추가적으로 2번 더 갱신하였다. 또한 현재까지 고효율 페로브스카이트 태양광 전지는 500°C가 넘는 고온의 열처리 공정이 필요했지만 이번에 개발된 소자는 150°C를 넘지 않는 온도에서 모든 열처리가 가능하여 미래에 주목받고 있는 플라스틱 기판을 이용한 유연소자 및 경량소자에도 적용 가능성이 있다.

2. 연구내용
본 연구에서는 페로브스카이트 태양광 전지가 고효율의 소자특성을 가지기 위해 필요한 조건들을 파악 한 후, 이 필요조건들을 만족시키기 위한 특성을 가지고 있는 물질을 합성 한 후 소자 적용 및 특성 분석을하였다.

우선 페로브스카이트 태양광 전지에 필요한 전하수송층 (electron transport layer)에는 주석 산화물 (Tin Oxide, SnO2)을 이용하였다. 주석 산화물은 에너지 측면에서 페로브스카이트 박막에서 전자를 잘 추출 시킬 수 있는 본질적인 특성을 가지고 있으며 저온에서 합성이 가능하다는 장점이 있다. 이번 연구에는 용액증착법 (chemical bath deposition)을 통한 SnO2 합성 메커니즘을 규명하여 특성 조건에서 촘촘하고 밀집한 SnO2 박막을 합성 할 수 있다는 사실을 밝혀냈다 (그림 1).

새롭게 밝혀진 SnO2 합성 메커니즘을 통해 만들어진 SnO2 박막은 기존의 박막에 비해 페로브스카이트와 투명전극 (transparent conductive oxide)사이에 발생할 수 있는 치명적인 전자 재결합을 억제하여 태양전지가 구동시 높은 전압과 고효율의 특성을 나타냈다. 또한 새롭게 개발된 SnO2 전자수송층을 이용한 페로브스카이트 태양전지는 작년 NREL 최고효율 차트에 기록되기도 하였다 (그림 2).

또한 본 연구에서는 페로브스카이트 박막의 특성 또한 향상시키는 기술을 개발하여 보고하였다. 페로브스카이트는 여러개의 결정구조를 가질 수 있는데 고효율의 태양전지에 적합한 결정구조는 상온에서 열역학적으로 불안정하여 쉽게 결정구조가 바뀔 수 있다는 어려움을 가지고 있다. 태양전지에 유용한 이 특정 결정구조를 안정화 시키도록 페로브스카이트 박막에는 첨가물 (additive)이 들어가야 한다. 하지만 이 첨가물은 페로브스카이트 박막의 결정입자 (crystal grain)을 작게 만들고 태양광 파장을 한정적으로 흡수 할 수 있게 만든다는 단점이 있다. 연구진들은 이 부분에 주목하여 페로브스카이트 박막의 표면처리를 통해 추가적으로 상 안정화를 이룰 수 있다는 원리를 규명하였고 기존에 사용됬던 첨가물의 양도 상당히 줄일 수 있었다. 이를 통해 기존에 세웠던 페로브스카이트 태양전지 효율 기록을 추가적으로 갱신 할 수 있었다 (그림 3).

마지막으로 새로 개발된 고효율 페로브스카이트 태양전지는 밝게 빛나는 발광소자로 구동할 수 있으며 약 17%의 높은 발광소자 효율 (LED External Quantun Efficiency, LED EQE)을 얻었다. 이는 페로브스카이트 태양전지 중에선 가장 높게 보고된 LED EQE이다. 이는 새롭게 개발된 SnO2 전자수송층과 특성이 향상된 페로브스카이트 박막이 합쳐져서 이루어진 성과이다.

3. 기대효과
본 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 효율 상승을 위해 전자수송층을 저온에서 용액공정으로 합성 할 수 있는 합성법을 메커니즘 연구를 통해 개발하였고 페로브스카이트 박막에 사용되는 첨가물 도핑과 표면처리가 박막의 특성에 어떤 영향을 미치는지 규명하였다. 본 연구 결과를 바탕으로 다양한 금속산화물의 합성 및 소자제작을 기대할 수 있으며 추가적으로 페로브스카이트 박막의 특성 향상을 얻을 수 있는 방향성을 제시하였다고 볼 수 있다. 또한 고효율의 페로브스카이트 태양전지가 밝게 빛을 내는 발광소자로 구동할 수 있다는 점을 시현하였기 때문에 이를 바탕으로 다양한 융합소자를 개발하는 추가연구도 기대해볼 수 있다.

 

그림 1. (a) 페로브스카이트 태양전지 사진, (b) 페로브스카이트 태양전지 구조

그림 2. (a) 새로 개발된 용액증착법으로 합성된 주석 산화물의 전자 현미경 사진, (b) 주석 산화물 기반으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 효율, (c) NREL 효율 차트에 기록된 24.2% 인증 효율(2019년 4월)

그림 3. (a) 첨가물과 표면처리 공정으로 합성된 페로브스카이트 박막, (b) 특성이 향상된 페로브스카이트 박막으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 효율, (c) NREL 효율 차트에 기록된 25.2% 인증 효율.(2019년 9월)

 

그림 4. (a) 단위소자에서 높은 발광소자 효율 (LED EQE)을 보이는 페로브스카이트 태양전지, (b) 고효율의 페로브스카이트 태양전지에 전압을 걸어 발광소자와 같이 밝게 빛나는 현상.

 

연구책임자 서장원 박사 이력사항

1. 인적사항

○ 성 명 : 서 장 원

○ 소 속 : 한국화학연구원 화학소재연구본부 에너지소재연구센터

 

 

2. 경력사항
○ 2007 ~ 2012 University at Buffalo, State University of New York, 박사후연구원
○ 2013 ~ 2016 한국화학연구원 선임연구원
○ 2017 ~ 현재 한국화학연구원 책임연구원

3. 수상실적
○ 2015년 한국화학연구원, KRICT 창의상
○ 2016년 한국화학연구원, KRICT 창의상 및 KRICT 혁신상
○ 2017년 화학산업의 날, 산업통상자원부 장관표창
○ 2017년 정부출연연구기관 10대 우수성과 선정
○ 2017년 한국공학한림원 선정, 2025년 대한민국을 이끌 100대 기술과 주역
○ 2018년 국가연구개발 우수성과 100선 (과기정통부, 최우수)
○ 2018년 국가연구개발 우수성과 과학기술포장
○ 2018년 한국화학연구원, 세계적 혁신기술 선정
○ 2019년 에쓰오일, 차세대 과학자상 (에너지 분야)
○ 2020년 국가연구개발 우수성과 100선

 

핵심참여 연구진[제1저자, 공동교신저자]

□ 교신저자(공동) 신성식

○ 2016.02 ~ 2016.07 한국화학연구원 박사후연구원
○ 2016.07 ~ 2017.06 미국 메사추세츠공과대학(MIT) 박사후과정
○ 2017.07 ~ 현재 한국화학연구원 선임연구원

 

□ 제1저자(공동) 서갑경

○ 한국화학연구원 인턴연구원 (2018-2019)
○ 한국화학연구원 학생 연구원 (2019-현재)

 

□ 제1저자(공동) 유정완

○ 한국화학연구원 전문연구요원 (2020~현재)