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[신기술] 초고효율 페로브스카이트 태양전지 앞당긴 기술
2019-09-01

초고효율 페로브스카이트 태양전지 앞당긴 기술 
고효율 원리 규명 & 핫전자 기반 태양전지 구현
 
지구의 표면에 도달하는 태양 에너지의 양은 평방미터당 1㎾h 정도라면, 이 에너지의 한 시간 분량을 모아도 인류가 1년 동안 사용할 수 있는 양이 된다고 한다. 이러한 태양 에너지를 인간이 사용할 수 있는 에너지의 형태로 변환하고 모으기 위한 것이 태양전지이다. 태양전지에 널리 사용되는 소재는 결정질 실리콘이고, 이는 화석연료로 전기를 생산하는 것보 다 단가가 높은 단점이 있다. 소재의 가격을 낮추기 위한 다양한 시도가 있지만 문제는 효율이다. 따라서 태양광 발전은 단가를 낮추면서 발전 효율을 높이는 기술이 관건이다. 무기물과 유기물이 혼합된 형태로 AMX₃분자식 결정 구조를 갖는 페로브스카이트(Perovskite)를 광흡수체로 이용하는 태양광전지에 관심이 쏠리는 이유가 바로 이것이다. (메인 사진: IBS, KAIST, 성균관대 공동연구 연구진이 개발한 페로브스카이트 핫전자 태양전지. 금 나노 다이오드 위에 페로브스카이트 소재를 얹은 구조를 이 루고 있다)
 
정리 강창대 기자 | 자료제공 한국에너지기술연구원, 기초과학연구원(IBS)
 
페로브스카이트는 사면체, 팔면체 또는 입방체의 결 정구조를 가지는 금속 산화물이다. 구성 원자에 따라 부도체, 반도체, 도체의 성질을 갖거나 초전도 현상까 지 보이기도 한다. 이 물질의 이름은 러시아의 광물학 자 리브 페로브스키(Lev Perovski)의 이름에서 유래 되었으며, 1839년 러시아 우랄산맥에서 처음 발견됐다 고 한다.
 
페로브스카이트는 유기물질과 무기물질이 결합된 형 태로 광흡수율이 뛰어나고 전자-정공의 수명과 이동 거리가 길어 차세대 고효율 태양전지의 핵심재료로 각 광받고 있다. 현재 상용화되고 있는 실리콘 태양전지나 박막태양전지와 비교하여 제조장비와 재료비가 저렴하 고 제조절차가 간단하다는 이점까지 갖췄다. 현재 세계 최고효율은 24.2%를 보이고 있어 결정질 실리콘 소재 로 만든 태양전지의 발전 효율을 따라잡고 있다. 
 
페로브스카이트 고효율의 이론적 토대
고효율 페로브스카이트 태양전지를 제조하기 위해서 는 균일한 두께의 박막으로 결정성이 우수하고 결정크 기가 큰 페로브스카이트 박막을 제조하는 것이 핵심이 다. 이를 위해 첨가제를 사용해 고효율을 구현하는 연 구결과들이 많이 있었으나 첨가제와 효율의 관계가 명 확하게 밝혀진 적이 없었다. 그러나 지난 7월 5일, 한국 에너지기술연구원 울산 차세대전지연구개발센터는 울 산과학기술원 및 한국광기술원과 공동으로 고효율 페 로브스카이트 태양전지를 구현하는 핵심기술인 첨가 제의 작동원리를 이론적으로 밝혀냈다고 했다. 
 
위 연구 논문의 공동 교신저자인 울산과학기술원 김진 영, 곽상규 교수는 “그동안 알려지지 않는 고효율 페로 브스카이트 태양전지가 왜 형성되는지 그 이유를 밝히 는 중요한 연구결과로 향후 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 구현에 큰 도움이 될 것”이라며 입을 모았 다. 교신저자인 한국에너지기술연구원의 김동석 책임 연구원 역시 “고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현 함에 있어 이론적인 뒷받침이 될 것”이라며 연구 성과 의 의의를 밝혔다. 이 연구는 에너지 분야의 국제 논문 집인 <줄>(Joule)의 2019년 6월 24일 온라인 판에 게재 됐다. 
 
균일한 박막을 만들면서도 전기화학적 특성이 우수한 박막을 만드는 것은 순수한 페로브스카이트 용액으로 만 구현하는 것이 어려워, 여러 가지 첨가제를 함께 섞 어 제조하였을 때 물성이 우수한 박막을 제조하는 것 으로 알려져 있다.
 
연구진은 페로브스카이트 박막을 구현함에 있어 용액 공정단계에서 염화메틸암모늄을 첨가하였을 때 결정성 이 3배 커지고, 결정크기가 6배 향상되었으며, 발광 (photoluminescence) 수명이 4배 이상 향상되는 등 전 기화학적 성질이 기존보다 3~4배 좋아진다는 결과를 얻을 수 있었다. 연구진에 따르면, 이는 24% 이상의 효 율을 구현할 수 있는 결과다. 더 나아가 연구진은 이러 한 고효율이 어떻게 이루어지는지 이론적인 분석까지 성공했다.
 
우선, 연구진은 염화메틸암모늄을 첨가하면 염소(Cl)이온이 기존 요드(I) 이온보다 크기가 작아서 메탈금속에 강하게 결합되어 체심입방구조(cubic structure)가 우선 적으로 형성되어 소성을 하지 않은 상태에서도 불순물 이 없는 안정한 구조를 형성한다는 것을 밝혀냈다. 또 한, 소성과정에서 염소이온은 날아가고 체심입방구조 는 더욱 견고하게 되면서 결정성이 기존의 3배 이상 향 상되고 결정크기도 5배 이상 커지면서 저효율의 원인이 었던 전자와 정공의 재결합(recombination)을 크게 줄 여준다는 것을 밝혀냈다. 이뿐만 아니라, 고효율을 구 현하기 위해서는 염화메틸암모늄의 농도를 0.4배 몰비 로 첨가하는 것이 가장 적절하다는 점도 알게 되었는 데, 이는 양이온으로 치환되는 메틸암모늄의 양이 0.4 배 몰비 영역에서 형성에너지(formation energy)가 가 장 낮게 형성되기 때문이다.
 
핫전자 기반의 하이브리드 태양전지
한편, 한국의 또 다른 연구진이 이산화티타늄(TiO₂) 박 막 위에 금 나노구조체가 놓인 ‘나노 다이오드’를 제작 하고, 그 위에 페로브스카이트 소재(MAPbI3)를 쌓아 올려 핫전자(hot electron) 태양광전지를 개발하기도 했 다. 지난 8월 13일, 기초과학연구원(IBS) 나노물질 및 화학반응 연구단 박정영 부연구단장(KAIST 화학과 및 EEWS 대학원 교수)과 이효철 부연구단장(KAIST 화학 과 교수) 연구팀은 박남규 성균관대 교수팀과의 공동연 구를 통해 세계 최초로 페로브스카이트를 이용한 핫전 자 태양전지를 개발했다. 이 연구는 태양전지의 효율 한계를 극복할 초고효율 태양광 전환 소자의 가능성 을 보여줬다는 평가를 받았다.
 
핫전자 기반의 태양전지는 태양전지의 효율이 이론적 최대 효율에 다다름에 따라 차세대 에너지 전환 소자 로 주목받는 분야다. 핫전자는 빛에너지를 흡수했을 때 표면에 생성되는 고에너지의 전자를 말한다. 이 전 자는 태양광을 전기에너지로 전환하는데 사용되는 매 개체다. 흡수한 빛에너지가 상당량 손실되며 전기에너지로 전환되는 기존 태양전지와 달리 핫전자 기반 태양 전지는 에너지 손실을 최소화한다는 장점이 있다. 
 
문제는 핫전자가 수 피코 초(ps, 1조 분의 1초)만에 소멸 하고, 확산거리가 수십 나노미터(㎚, 10억 분의 1m)에 불과해 포집이 어렵다는 점이다. 연구진은 이 문제를 해결할 열쇠로 페로브스카이트 소재에 주목했다. 페로 브스카이트 구조를 가진 물질에서 발생한 핫전자는 다 른 물질에 비해 긴 수명과 확산거리를 갖고 있다는 점 에 착안한 것이다. 연구진은 이산화티타늄(TiO₂) 박막 위에 금 나노구조체가 놓인 ‘나노 다이오드’를 제작하 고, 그 위에 페로브스카이트 소재(MAPbI₃)를 쌓아 올린 형태의 태양전지를 제조했다. 
 
개발된 페로브스카이트 핫전자 태양전지에 빛을 비추면 페로브스카이트와 금 나노구조체가 각각 핫전자, 즉 광(光)전류를 발생시켜 핫전자의 흐름이 크게 증폭 됐다. 분석결과, 페로브스카이트만 단독으로 있을 때 와 비교해 광전류가 최대 12배 증폭되는 것으로 나타났 다. 효율이 12배 더 좋아진다는 의미다. 연구진은 나노 구조체가 빛을 흡수할 때 전자들이 집단적으로 강하게 진동하는 국소 표면 플라즈몬 공명 현상으로 인해 효 율이 향상되는 것이라고 설명했다. 
 
이후 연구진은 전자의 움직임을 펨토 초(fs, 1,000조 분 의 1초) 단위로 분석하는 펨토초 시분해 분광법을 이용 해 핫전자의 수명을 측정했다. 금 나노 구조체만 단독으로 있을 때 핫전자는 발생 2.87피코 초 만에 사라진 다. 반면 페로브스카이트와 결합한 경우엔 62.38피코 초 가량 머물며 핫전자의 수명이 약 22배 길어졌다. 
 
박정영 부연구단장은 “향후 핫전자의 소멸 및 포집시간 을 조절하여 같은 양의 빛을 받아도 더 많은 전류를 발 생시키는 초고효율 페로브스카이트 기반 핫전자 태양 전지를 개발해나갈 계획”이라며 “핫전자는 차세대 친 환경 에너지원 개발에 있어 새로운 패러다임을 제시할 것”이라고 말했다. 이번 연구성과는 국제학술지 나노 레터스(Nano Letters, IF 12.279) 7월 26일자 온라인 판 에 게재됐다.
페로브스카이트 태양전지 및 효율 특성 IBS, KAIST, 성균관대 공동연구 연구진이 개발한 페로브스카이트 핫전자 태양전지. 금 나노 다이오드 위에 페로브스카이트 소재를 얹은 구조를 이루고 있다. 
페로브스카이트 기반 핫전자 태양전지의 구조 소자의 양 끝에 전극이 위치하며, 빛에너지 전환이 일어나는 활성영역은 가운데에 위치한다. 활성 영역은 250㎚의 이산화티타늄(TiO₂) 박막 위에 30㎚의 금 나노 구조체가 증착돼있으며, 그 위는 40㎚에서 70㎚ 사이의 페로브스카이트(MAPbI₃) 박막이 덮여 있다.
페로브스카이트와 금 나노 구조의 결합으로 증폭된 광전류 측정 광 에너지에 따른 입사광 대비 전류 전환 효율을 나타낸 그래프(a)와 오른쪽은 전체 나노 다이오드에 흐르는 광전류를 나타낸 그래프 (b). 페로브스카이트가 국소 표면 플라즈몬 공명 현상이 일어나는 금 나노 구조체와 있을 때 그렇지 않은 구조에 비해 모든 광 에너지 영역에서 더 높은 광전류전환 효율을 나타내고 있으며, 전체 흐르는 광전류는 페로브스카이트 박막의 두께가 두꺼워짐에 따라 5배에서 12배까지 증폭되는 것을 나타낸다.
제작된 나노 다이오드 구조에서의 핫전자 수명 측정 핫전자가 소멸되는 데에 걸리는 시간을 펨토초 시분해 분광법(Femtosecond Transient Absorption Spectroscopy)으로 측정하였다. 금 나 노 구조체만 있을 때는 약 2.87ps가 얻어졌으나 페로브스카이트와 금 나노 구조체가 함께 있는 경우에는 22배 더 긴 약 62.38ps가 얻 어졌다. 이는 페로브스카이트와 금 나노 구조체가 결합되었을 때 훨씬 더 긴 수명을 가진 핫전자가 흐른다는 것을 나타낸다.


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