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『신기술』 태양전지 신소재 개발
2024-02-14

태양전지 신소재 개발
효율성과 안정성 성능 향상 및 상용화 기대 
태양광 발전은 빛 에너지를 전기 에너지로 바꿀 수 있는 ‘광전효과’를 이용한다. 광전지1)인 태양전지로 이산화탄소와 기타 부산물들을 배출하지 않는 친환경적인 발전 방식으로 연구개발이 진행되고 있다. 최근 부각하고 있는 차세대 태양전지인 페로브스카이트2) 태양전지는 광자 하나당 전자로 변환할 수 있는 효율을 나타내는 광전변환효율3)이 26.1%를 기록하는 등 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 가까워지고 있다. 에너지 변환 과정 중 발생하는 손실을 낮추고 태양전지의 효율을 높이고 안정성을 구축하기 위한 신소재 연구 개발 성과를 소개한다. 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것이라고 전망됐다.

정리 편집부
자료 UNIST, DIGIST

UNIST 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀은 고려대학교 곽상규 교수팀과 함께 높은 안정성과 효율을 가진 주석-납 할로겐화합물 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입했다. 태양전지 소자의 안정성과 효율을 동시에 향상하는 획기적인 기술이다.

음극 중간층 삽입한 페로브스카이트 태양전지 개발
금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛 에너지를 받아 전자를 방출하는 ‘광전자’ 특성이 우수해 태양 에너지 응용 분야에서 유망한 재료로 꼽힌다. 특히 혼합 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트(TLHP)는 가시광선에서 근적외선 영역까지 태양광 흡수가 가능해 고효율 태양전지 개발에 중요한 소재다. 하지만 TLHP는 납 기반의 페로브스카이트 보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다.

연구팀은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드를 도입했다. 페릴렌 디이미드는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트의 상부층에 삽입된다. 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할 또한 수행해 안정성을 대폭 향상시켰다.
그린 수소 생산 기술에도 응용
페릴렌 디이미드를 적용한 소자의 경우, 높은 광전변환효율(23.21%)을 보임과 동시에 60도에서 750시간 동안 작동했을 때도 초기 대비 81% 이상 효율을 유지하며 높은 안정성을 보였다.

연구팀은 개발된 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했다. TLHP 기반의 광전극을 농업폐기물과 같은 목질계 바이오매스 분해 과정에서 나오는 전자를 활용했다. 외부 전력이 없는 상태에서 약 33.0mA/cm2(~3.42×10-6 kg·s-1·m-2)의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 이는 미국 에너지부의 1-sun 조건아래 태양광 수소 생산의 최종 목표치보다 높은 수치다.

장성연 교수는 “개발된 태양전지를 광전극으로 활용해 고효율의 그린 수소를 생산할 수 있는 광전기 화학 소자의 새로운 구조를 제시했다”고 설명했다.4)

장성연 에너지화학공학과 교수는 “이번 연구를 통해 주석-납 기반 페로브스카이트 태양전지의 큰 이슈 중 하나였던 소자의 장기안정성을 획기적으로 증가 시켰다”며 “우리는 빛 에너지를 전기 에너지로 전환하는 것에 그치지 않고 수소와 같이 산업의 기반이 되는 기초적인 화학물질을 친환경적으로 생산할 수 있는 단계까지 발전시키는 것이 최종 목표”라고 설명했다.8)
양자점 태양전지, 신소재 개발 
DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀은 유기분산 MXene9) 소재를 도입해 양자점 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다고 지난 11월 28일 밝혔다.

양자점 태양전지는 최근 급격한 발전을 이루어왔으나, 여전히 광 흡수물질과 정공 전달물질 간의 에너지 수준이 적절하기 배치되지 않는 에너지레벨 정렬 불일치와 표면에 금이 가는 크랙 문제로 성능이 제한되고 있다. 특히, 에너지레벨 정렬 불일치는 전하를 효율적으로 추출하지 못하게 해 태양전지의 성능을 크게 저하시킨다.
MXene 도입으로 다양한 전자 소자의 성능 향상
DGIST 에너지공학과 최종민 교수 연구팀은 이를 해결하기 위해 양자점 태양전지에 2D 구조의 MXene 소재를 도입하는 기술을 개발했다. 유기용매 분산성이 뛰어난 폴리카테콜을 MXene 소재 표면에 결합시켜 양자점 잉크 공정에 MXene을 적용할 수 있도록 했다.
MXene의 도입으로 양자점 박막이 높은 페르미 레벨을 형성, 양자점의 전하 재배치가 이루어져 에너지레벨 정렬 불일치 문제를 해결했다. 또한, 2D구조 MXene은 소자 내부 금속 침투를 막아주어 광전화 효율을 12.8%에서 13.6%로 향상시키고, 열 안정성도 약 30% 향상시켰다.

연구 개발로 연구팀 관계자는 양자점 잉크공정에 MXene을 적용하기 위한 표면개질 방법을 제시하는 것에 의미가 있으며, 양자점 전자소자에서 리간드 및 소자구조를 변경하지 않고 에너지밴드 및 계면문제를 해결하는 방법론을 제시한다는 점에서 의미가 크다고 밝혔다.

또한 에너지밴드 구조 문제를 해결하면서 양자점 태양전지의 상용화를 향해 남아있는 첫 번째 관문을 통과했다고 평가했다. 더욱이 양자점 태양전지의 상용화를 위해서는 큰 이슈인 열 안정성 문제를 해결해야 하기 때문에 열안정성 관련 문제를 해결해 나가는 것을 목표로 하고 있다고 발언했다.

연구자와의 인터뷰
연구하게 된 배경은
에너지 변환 과정 중 발생하는 손실을 감안한 태양전지의 이론적 효율인 S-Q 한계5)에 따르면 광흡수층이 1.1 eV -1.4 eV의 밴드갭을 가질 때 최대 광전변환효율을 가질 수 있다. 최근 각광받고 있는 금속 할로겐화물 페로브스카이트는 납 기반의 물질이며 밴드갭이 최적 밴드갭보다 큰 1.5 eV에 가까워 태양전지 효율을 더 높이기 위해서는 밴드갭을 낮추는 것이 필요하다. 납 기반 페로브스카이트에 주석을 추가하여 주석-납 기반의 페로브스카이트 광활성 소재를 활용할 시 밴드갭을 1.2 eV 정도로 낮출 수 있다는 광학적 이점이 있으나 소자의 안정성이 낮다는 추가적 문제가 발생한다.

이 연구에서는 화학적 보호 음극 중간막6)으로 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드을 도입하여 주석-납 기반의 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 크게 향상시킬 수 있음을 제시했다. 또한 광흡수영역 확장을 통해 높은 단락전류밀도를 생산해 낼 수 있어 이를 바탕으로 그린수소 생산에도 활용가능함을 제시하였다.

연구내용은
본 연구에서는 태양전지 실제 구동 시 가장 큰 문제점 중 하나인 금속 확산으로 인한 소자의 열화 및 분해현상을 해결하기 위해 주석-납 페로브스카이트 상층부에 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드를 화학적 보호 음극 중간막으로 도입하였다. 기존에 활용하던 중간막이었던 바토쿠프로인에 비해 페릴렌 디이미드의 경우 더 많은 금속에 대한 결합자리를 가지고 있으며 아민 기능기와 산소원자의 강한 친핵성질로 인해 금속이온에 대해 더욱 강한 흡착능력을 가질 수 있게 된다. 이러한 페릴렌 디이미드의 우수한 금속확산 차단 능력을 바탕으로 60°C에서 750시간 작동 후 초기 광전변환효율의 81% 이상을 유지하는 탁월한 장기안정성을 보여주었으며 우수한 정공 차단 및 전자추출능력을 바탕으로 기존 바토쿠프로인 기반에 비해 더 높은 23.21%의 광전변환효율을 나타냈다.

태양전지 응용 외에도 광전기화학7)을 활용한 그린수소 생산에도 이를 적극 활용하였다. 페릴렌 디이미드가 처리된 주석-납 기반 페로브스카이트 광전극은 바이오매스와 결합하여 33.0 mA/cm2 (~3.42×10-6 kg·s-1·m-2)의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였으며 이는 미국 에너지부의 단일접합 태양 수소 생산 최종 목표치보다 높은 수치이다.

기대효과
연구팀이 제안한 화학적 보호 음극 중간막인 지방족 아민 기능화 페릴렌 디이미드을 활용하였을 경우 주석-납 페로브스카이트 태양전지의 장기안정성 및 효율을 더욱 향상 시킬 수 있다. 이에 그치지 않고 태양광을 활용한 친환경 수소 생산시스템을 포함하여 기타 공업 화합물 생산에 대한 기여도 기대할 수 있게 된다.
1) 광전지 : 광전효과를 이용하여 빛 에너지를 전기 에너지로 전환할 수 있는 에너지 전환 장치로서 태양광을 활용할 시에 태양전지로도 불린다. 광전소자의 일종으로서 빛이 입사되면 전기적 특성(전류, 전압, 저항)이 달라지게 된다. 광전지 내부의 광활성 소재에서 빛을 흡수하게 되면 엑시톤이 형성되며 엑시톤은 전자와 정공으로 분리되며 이는 각각 음극과 양극으로 추출되어 전기를 생산하게 된다.
2) 페로브스카이트 : 칼슘 티타늄 산화물(CaTiO3) 광물의 구조를 한 물질을 통칭하는 것이나 태양전지에 활용되는 페로브스카이트 소재는 보통 납 혹은 주석 기반의 할로겐화물 페로브스카이트를 일컫는다. 할로겐화물 페로브스카이트는 높은 흡광계수, 긴 전하 이동거리, 낮은 결함밀도 등 우수한 광·전기적 특성을 보유하고 있어 태양전지의 광활성층으로 많이 활용되고 있다.
3) 광전변환효율 : 태양전지의 성능을 나타내는 가장 대표적인 값이다. 입력전력 대비 출력전력의 비로서 계산이 되며 태양전지로 입사된 빛 에너지가 얼마만큼의 전기 에너지로 변환되었는지 척도를 나타내는 수치이다.
4) 연구원 및 논문명 : UNIST Muhibullah Al Mubarok 석·박통합과정 연구원, 최유리 연구조교수, Rashmi Mehrotra 석·박통합과정 연구원, 고려대학교 김유진 석·박통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다. 연구 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 11월 30일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.
논문명 <Efficient and Stable Tin-lead Perovskite Photoconversion Devices Using Dual-functional Cathode Interlay>
5) S-Q 한계 : 단일 p-n 접합을 사용하여 셀에서 전력을 수집할 수 있는 태양전지의 최대 이론 효율이다. S-Q 한계에서 유일한 에너지 손실 메커니즘은 복사 재결합이다. 밴드갭 1.34 eV에서 이론적 최대 효율인 33.7%의 광전변환효율을 얻을 수 있다.
6) 화학적 보호 음극 중간막 : 금속전극의 열화로 인한 이온화 현상으로 인해 발생하는 금속이온의 이주현상을 방지하기 위한 보호막으로서 페로브스카이트 태양전지에서는 통상적으로 바토쿠프로인 물질을 대표적으로 사용하고 있다.
7) 광전기화학반응 : 태양전지를 활용하여 전극에 빛을 조사하여 전기 에너지가 발생하는 광전효과를 활용하여 전기화학 반응을 일으키는 반응을 일컫는다. 전극 표면에서 산화 반응이 일어나는 전극을 양극(anode)이라 하며, 환원 반응이 일어나는 전극을 음극(cathode)라 한다.
8) 연구원 및 논문명 : 연구는 UNIST Muhibullah Al Mubarok 석·박통합과정 연구원, 최유리 연구조교수, Rashmi Mehrotra 석·박통합과정 연구원, 고려대학교 김유진 석·박통합과정 연구원이 제 1저자로 참여했다.
연구 결과는 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 11월 30일자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 지원을 받아 이뤄졌다.
(논문명: Efficient and Stable Tin-lead Perovskite Photoconversion Devices Using Dual-functional Cathode Interlayer)
9) MXene : 이산화티타늄(Ti)와 탄소(C)로 이루어진 2차원 소재. 뛰어난 전기전, 열적, 기계적 특성을 가지고 있어 다양한 응용 분야에서 주목받고 있다.

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