양자점 기반 차세대 태양전지,
손실없는 고전압 출력 가능성 열었다.


 - KIST-MIT 공동 연구진, 양자점 태양전지의 출력전압 손실의 원인 규명
 - 향후, 출력전압 최대 180%까지 상승 기대, 상용화에 한 걸음 더 다가설 것

 

양자점(Quantum Dot) 태양전지는 저렴한 공정비와 훌륭한 안정성을 바탕으로 기존의 실리콘 태양전지의 단점을 보완한 차세대 태양전지 소자로 각광받고 있다. 하지만, 양자점 태양전지의 출력전압이 유독 낮아 상용화에는 큰 어려움을 겪고 있었다. 최근 국내 연구진이 양자점 태양전지의 출력전압 손실의 원인을 규명하여, 고전압 출력 가능성을 제시하여 관련 학계와 산업계의 주목을 받고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 계산과학연구센터 김동훈 박사팀은 미국 MIT 제프리 그로스만(Jeffrey Grossman) 교수팀과의 공동연구를 통해 양자점 태양전지에 사용되는 황화납(PbS) 양자점 재료의 표면에 납 혹은 염소 원소의 공공결함(vacancy)이 다량 존재할 수 있음을 확인하고, 이러한 공공결함으로 태양전지의 출력전압 값이 크게 제한되는 것을 밝혔다.

태양전지 내에서 출력전압의 크기는 에너지 전환효율을 결정짓는 가장 중요한 요인이다. 이론적으로 황화납 양자점 기반의 태양전지는 약 0.9볼트(volt) 이상의 전압출력이 가능하나 실제 출력값은 약 0.5볼트(volt)에 그친다. 하지만 전압손실의 원인이 불분명하여 관련 학계 내에서 이를 해결하기 위한 뚜렷한 실험적 개선책이 없는 실정이었다.

그림 1. 양자점 재료의 표면에 존재하는 특정 공공결함이 태양전지의 출력전압 값을 크게 제한함을 나타내는 본 연구의 대표 그림

 

KIST-MIT 공동 연구진은 이를 규명하기 위해 원자 단위의 조절이 가능한 범밀도함수론* 계산법과 흡광/발광 실험측정기를 동시에 활용하여, 양자점 물질 내에 존재하는 특정 공공결함이 매우 큰 전압손실을 야기할 수 있음을 찾아내었다.
*범밀도함수론(Density functional theory): 물질 내부에 전자가 들어있는 모양과 에너지를 계산하기 위한 양자역학 이론 중의 하나임.

그림 2. 흡광/발광 실험측정기를 이용한 황화납 양자점의 스토크스 시프트 측정결과

그림 3. 범밀도함수론 계산법을 이용한 양자점 재료 내의 전화 국소화 현상 발견 및 스토스크 시프트 값 변화

연구진은 양자점 태양전지의 전압손실원인으로 황화납 양자점 재료의 구조적 특성, 즉 공공결함의 양이 매우 큰 스토크스 시프트**(Stokes shift)를 발생시키는 것을 밝혀낸 것이다. 연구진은 본 연구를 바탕으로 스토크스 시프트를 최소화 시키려는 꾸준한 실험과 결과가 이어진다면, 경쟁 소자인 실리콘 재료 또는 페로브스카이트 재료와의 효율 격차를 많이 줄여 차세대 태양전지로서의 상용화를 기대하고 있다.
**스토크스 시프트 (Stokes shift): 어떤 물질이 빛을 흡수할 때와 방출할 때 스펙트럼에서 최대 파장 값이 다르게 나타나는 현상으로, 황화납 양자점 재료의 경우 그 차이가 매우 크다고 알려짐.

 

KIST 김동훈 박사는 “본 연구는 향후 양자점 태양전지의 전압상승을 위한 다양한 실험적 노력에 올바른 방향을 제시할 것으로 기대한다.”고 말하며, “이를 통해 출력전압이 최대 현재수준의 180%까지 상승될 수 있을 것으로 예상하며, 양자점 태양전지는 상용화에 한 걸음 더 가까워 질 것이다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 (장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 나노과학분야의 국제학술지인 ‘ACS Nano’ (IF: 13.942, JCR 분야 상위 3.27%)에 최신호(3월 13일(화))에 온라인 게재되었다.

 

 *(논문명) Origins of the Stokes shift in PbS Quantum Dots: Impact of Polydispersity,

              Ligands, and Defects
              - (제1저자) 한국과학기술연구원 김동훈 박사, MIT Yun Liu 박사 과정
              - (교신저자) MIT Jeffrey Grossman 교수

 

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저온에서 프린팅 가능한 고분자 소재로
고효율 유기태양전지 만든다  

  - 저온공정용 전도성고분자 개발로 최고수준의 고효율 유기태양전지 구현
  - 향후 플라스틱 기반의 플렉시블(Flexible) 태양전지 제작에 활용 기대

 

프린팅 방식을 이용한 고분자 유기태양전지 모듈 제작 과정

미래의 핵심 친환경 에너지원으로 자리 잡을 태양전지는 공정을 단순화하는 것이 주요한 과제이며, 특히 프린팅 방식을 이용한 태양전지 생산은 차세대 태양전지를 선도해나갈 기술로 두각을 나타내며 활발한 연구가 진행 중이다. 유기태양전지는 고분자 소재의 가볍고 유연한 특성으로 프린팅 방식을 이용한 태양전지 구현에 가장 적합한 기술 방식이라 할 수 있다. 하지만 현재까지 전 세계적으로 보고된 많은 고효율 유기태양전지는 작은 활성영역(0.1 cm2이하)에서는 고효율을 보이나, 넓은 면적에서는 재현성이 낮아 실제 프린팅 공정을 이용한 유기태양전지 상업화에 많은 제약을 갖고 있었다. 최근 국내 연구진이 저온에서 높은 공정 신뢰성을 보이며 대면적 제작이 가능한 고효율 유기태양전지를 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 손해정 박사팀은 대면적으로 프린팅이 가능한 저온공정용 고분자 신소재를 개발하는데 성공하여 이를 태양전지의 광활성층* 소재로 사용, 고효율의 유기태양전지를 개발했다.
*광활성층(photo-active layer) : 태양빛을 흡수하여 얻은 빛 에너지로 전력을 생산하는 전극사이의 층

KIST 손해정 박사팀은 기존 고분자 광활성층 소재를 대체하는 새로운 고결정성의 전도성 고분자를 개발하여 태양전지 광활성층 소재로 이용하였다. 연구진이 개발한  고분자는 기존보다 높은 용해도를 보여 저온에서 용액을 이용한 공정으로 넓은 면적에서도 손쉽게 광활성층 제작이 가능하였다. KIST 연구진은 기존의 고결정성 고분자의 지나친 뭉침 현상을 해결할 수 있는 제3의 물질(단량체, monomer)를 고분자 공중합체**에 도입 및 합성을 통해, 높은 결정성과 우수한 전기적 특성을 보이고, 용액에서 잘 녹아 용액공정에 적합한 새로운 고분자 소재 제작에 성공했다. 따라서 기존 고분자의 경우 광활성층의 면적을 넓혀서 태양전지를 제작 했을 때 효율의 저하를 보였으나, KIST 연구진이 개발한 신규 고분자의 경우 상대적으로 매우 작은 효율 변화를 보였다. 결과적으로 1cm2 활성영역을 기준으로 기존 고분자를 이용한 소자에 비해서 30% 가량의 효율 향상을 보였으며, 최고 9.45%의 높은 광전변환효율을 기록하였다. 이러한 성능은 보고된 비슷한 면적의 유기태양전지 소자 중 최고 수준의 결과이다.
**공중합체(copolymer) : 2종류 이상의 단량체가 연결되어 이루어진 고분자.

기존의 유기태양전지의 광활성층 두께가 100 나노미터(nm, 10억분의 1m) 이상인 경우 낮은 전하이동도 특성으로 효율이 감소하는 경우가 대부분이었다. 이러한 점은 태양광을 흡수하는데 제한이 되고, 대면적 프린팅 공정시 활성층의 두께 조절에 있어서 제약이 되어왔다. KIST 연구진은 개발한 신규 광활성층 고분자 소재로 광활성층의 두께를 350 나노미터(nm) 이상으로 제작했을 때, 오히려 광전변환효율이 향상되는 특징을 보임으로써 대면적 유기태양전지 모듈 제작에 우수한 적합성을 보였다. 

프린팅 방식을 이용한 유기태양전지 모듈

KIST 손해정 박사는 “이번 연구를 통해 유기태양전지의 성능뿐 아니라 대면적화에 중요한 기여를 할 것으로 보인다.”고 말하며, “향후 유기태양전지의 상업화를 위한 소재 개발에 가이드라인을 제시 할 수 있을 것”이라고 밝혔다. 또한 연구진은 후속 연구로 프린팅 공정을 이용한 유기 태양전지 모듈을 제작하고 있으며, 향후 건물 창호나 아웃도어 제품에 적용이 가능할 것이라고 밝혔다. 

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 유영민) 지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Advanced Energy Materials’(IF: 16.721, JCR 분야 상위 2.05%) 12월 27일(수) 온라인 게재되었으며, 2018년 최신호에 표지논문(Front Cover)으로 선정되어 게재될 예정이다.

  * (논문명) ‘High-Performance and Uniform 1 cm2 Polymer Solar Cells with D1-A-D2-A-Type Random Terpolymers’
     - (제1저자)  한국과학기술연구원 신인정 학생연구원(석사과정)
     - (교신저자) 한국과학기술연구원 손해정 박사(책임연구원)

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한종희 국가기반기술연구본부장 “韓 에너지 대량 수입국...‘신재생에너지 답”

"자원 없이 기술로 에너지 확보 가능, 꾸준한 원천기술개발 必"


최근 美 도널드 트럼프 정부의 친 화석연료 정책 발표에도 국제적으로 신재생에너지 시장의 성장세는 이어질 것이라는 전망이 우세하다. 신재생에너지에 대한 연구가 주목 받는 것은 단순히 화석연료의 고갈이나 기후변화와 같은 국제적 이슈 때문만은 아니다. 이는 신재생에너지가 편리하고 친환경적이며 장기적으로는 경제성까지 갖출 것이라는 믿음 때문이다.

 

신재생에너지는 ▲태양 에너지 ▲지열 에너지 ▲해양 에너지 ▲바이오 에너지 ▲연료전지 ▲수소 에너지 등으로 기존의 화석 연료를 재활용하거나 재생 가능한 에너지를 변환시켜 이용하는 것을 말한다. 우리나라는 선진국에 비하면 신재생에너지 생산과 소비비율이 높지 않은 상황이다. 하지만 4차 산업혁명과 기존의 화석연료사용에 따른 기후변화 등의 문제가 에너지정책과 맞물려 있는 만큼 궁극적으로 신재생에너지 비율이 확대될 것으로 예상된다.

 

KIST에서 신재생에너지 연구를 이끌고 있는 국가기반기술연구본부 한종희 본부장은 "자원이 부족한 우리나라에서 궁극적인 에너지정책방향은 신재생에너지로 갈 수 밖에 없을 것"이면서 "신재생에너지는 자원이 아닌 기술이 있으면 충분히 얻을 수 있는 분야다. 원천기술과 미래기술 개발을 위한 지원 및 산업체들과 연구자간 밀접한 교류를 통해 에너지문제를 풀 수 있을 것"이라고 말했다.


우리나라의 신재생에너지 원천연구는 20년 전으로 거슬러 올라간다. 기존 석탄에너지 등에 비해 효율성은 낮지만 자원이 부족한 우리나라에서 꼭 필요하다는 합의하에 연구개발이 진행된 것. 그 중심에 KIST가 있다.

 

KIST 국가기반기술연구본부에 소속되어있는 연료전지연구센터는 1987년 5월 설립. 연료전지 상용화에 연구역량을 집중하고 있다. 이후 KIST는 ▲청정에너지연구센터 ▲센서시스템연구센터 ▲광전하이브리드연구센터를 설치해 신재생에너지, 탄소의 순환, 기후변화 대응 원천기술을 개발하고 있다. 현재 4개 센터는 국가기반기술연구본부 산하에 소속돼 에너지와 센서 관련 연구자들이 각 분야에 포진되어 원천기술을 개발하고 있다.

 

특히 신재생에너지는 본부의 핵심연구 분야 중 하나다. 유·무기 태양전지와 발전용·수송용 연료전지, 바이오매스를 이용해 에너지를 만드는 연구가 진행 중이며, 기후변화의 주범으로 꼽히는 이산화탄소를 분리→처리→재순환하는 원천기술연구에도 몰입하고 있다. 더불어 대기 중 오염물질을 감지하거나 조류독감, 암 진단 등 건강·안전·재난 관련 센서연구가 한창이다.



 

"오랫동안 매진해온 분야"...정부 관계없이 해왔던 연구 묵묵히 도전

 

"IoT, 드론 등 전자기기 발달에 따라 작지만 강한 '작은 전원'이 주목받고 있다. 작은 전원 개발과 함께 에너지들을 스마트하게 활용할 수 있는 센서기술을 융합하는 방향으로 연구를 추진하겠다."

 

한종희 본부장은 연료전지센터의 책임연구원과 센터장을 역임하고 지난 3월 국가기반기술연구본부장 보직을 맡게 됐다. 연료전지분야를 오랫동안 연구한 그는 용융탄산염연료전지(MCFC) 시스템 개발과 복숭아 등에 함유된 개미산의 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 방식으로 노트북 컴퓨터용 연료전지를 개발하는 등 다양한 성과도 냈다. 보직을 하면서도 용융탄산염연료전지(MCFC)의 구성요소 국산화 연구와 연료전지의 연료로 들어가는 수소를 경제성 있게 생산하고 정제하는 방법을 연구개발 중이다.




본부장을 지낸지 5개월. 그는 연구자들과 함께 본부의 향후 연구방향으로 ▲작은 전원 ▲e-케미컬 ▲에너지 융합 IoT 기반 센서 기술 등 미션을 기획했다.

 

작은 전원은 소형전자기기 발전 및 보급에 따른 최근 에너지계 연구추세이기도 하다. 그는 "전자기기의 발달과 기능이 높아짐에 따라 작으면서도 오래 사용할 수 있는 작은 전원이 유리해졌다"면서 "해당 분야에 연료전지가 유리한 측면이 있다고 판단했다. 더 작으면서 가볍고 오래 쓸 수 있는 연료전지 개발에 역량을 집중할 계획"이라고 밝혔다.



기존의 에너지 다소비 화학공정에서 전기화학공정으로 전환해 페트병, 기저귀, 전자제품, 비료 등을 얻어내는 'e-케미컬'기술도 추진할 계획이다. 화석연료로 얻었던 제품생산을 태양에너지와 공기, 물을 통한 전기화학적 방법으로 확보하는 것이 이 기술의 핵심이다. 한 본부장은 "미래 에너지가 ‘화석연료에서 신재생에너지’로 전환 될 것을 대비한 전기화학공정 연구"라고 설명했다.

 

이 외에도 그는 "IoT기술의 발달 등으로 연결사회가 도래하고 있다. 에너지를 융합할 수 있는 IoT기반 센싱기술과 스마트 에너지를 위한 센서 등을 위한 연구개발에 대한 아이디어를 모아 연구개발에 매진할 것"이라고 덧붙였다.

 

마지막으로 그는 "에너지를 기반으로 움직이는 사회에 살고 있지만 우리는 자원이 부족해 98%의 에너지를 대량으로 수입해 쓰고 있다. 우리나라가 점진적으로 가야할 길은 신재생에너지"라면서 "정부가 강조하고 있지만 우리가 오랫동안 꾸준히 추진해온 연구분야가 아닌가. 우리가 해온 영역의 원천기술개발을 통해 에너지문제, 기후변화해결, 새로운 먹을거리 창출 등 세계일류 연구그룹이 되도록 노력할 것"이라고 역설했다.




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고성능 집광형 태양전지와 열전모듈을 융합한 고효율 융합 전지 개발
태양광과 발생하는 열을 동시에 전기로 바꿔 클린 에너지 분야 활용 기대

 

갈륨아세나이드(GaAs) 기반 집광형 태양전지*는 현재 가장 효율이 높은 태양전지 기술로 알려져 있다. 이 태양전지는 태양광을 전기로 바꿔주는 광변환 효율이 실리콘 태양전지보다 두 배 이상 높으며, 렌즈나 거울 등을 사용하게 되면 광변환 효율은 더욱 높아진다. 그러나, 집광정도가 높아질수록 많은 열이 발생하게 되는데, 이는 태양전지의 효율을 급격하게 저하시키게 된다. 이러한 현상은 집광형 태양전지의 효율 증가를 가로막는 가장 큰 장벽이 되어왔다.
*집광형 태양전지(CPV, Concentrator photovotaic) : 3족과 5족 화합물계를 결합한 갈륨아세나이드를 기반으로 기존 위성용을 벗어난 태양광을 모아서 발전하자는 새로운 컨셉을 적용한 태양전지

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전소재연구단 최원준 박사는 갈륨 아세나이드 화합물 반도체를 이용한 고효율 집광형 태양전지기술을 연구해 왔으며, KIST 전자재료연구단 백승협 박사는 비스무스 텔루라이드(Bi2Te3)** 열전반도체를 이용하여 버리게 되는 열을 이용한 발전 소자 연구를 수행해 왔다. 본 연구진은 울산과학기술연구원(UNIST)의 이기석 교수와 백정민 교수 연구팀의 이론적인 지원을 받아, 이 두 가 상이한 분야의 융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지 기술이 갖고 있는 한계를 극복한 고효율 융합전지를 개발했다.
**비스무스 텔루라이드(Bi2Te3) : 상온에서 가장 높은 열전 변환 계수(효율)를 가지고 있는 열전반도체 소재.  이 소재는 현재 냉매를 사용하지 않는 냉각시스템에 열전소자로 널리 활용

<그림 1> 광전·열전 융합 전지의 모식도

KIST 공동연구팀은 비스무스 텔루라이드 열전반도체가 열을 전기로, 전기를 열로 바꾸는 열전현상(thermoelectricity)이 매우 탁월한 것에 주목했다. 이 열전 반도체는 냉매를 이용하지 않는 전자냉각 시스템이나 자동차 등 버리는 열을 이용한 전기생산 시스템에 응용 가능한 기술이다. 현재 실생활에서는 와인 냉장고, 자동차 시트 쿨러, 순간냉각정수기 등에 이 기술이 사용되고 있고, 폐열을 이용한 발전시스템 개발에 대한 연구가 활발하게 진행 중이다.

본 KIST-UNIST 공동연구진은 기존의 집광형 태양전지가 발생하는 열 때문에 효율이 저하되는 문제를 해결하기 위해서, 열을 전기를 바꿀 수 있는 열전 소자를 집광형 태양전지와 융합하는 기술에 관한 아이디어를 구상하고 이를 융합전지로 구현하였다. 집광형 태양전지에서 고집광시 발생하는 열은 태양전지의 효율을 저하시키는 주요한 원인으로 작용하는데, 이때 발생하는 열을 이용해 열전모듈이 전기 에너지를 추가적으로 생산하므로 융합전지의 효율은 단일 태양전지 효율에 비해 크게 향상될 수 있으며, 기존 집광형 태양전지의 집광한계를 극복할 수 있다.

KIST 최원준, 백승협 박사는 “융합연구를 통해 기존의 집광형 태양전지의 고집광시 발생하는 태양전지 효율저하 문제를 극복하는 집광형 광전·열전 융합전지의 가능성을 확인했다.”라고 말하며, “앞으로 고효율 클린 에너지 발전 산업에 크게 기여할 것으로 기대된다.”고 밝혔다. 

 

본 연구는 KIST-UNIST-울산시가 공동으로 지원하는 융합신소재연구센터의 지원으로 수행되었으며, 연구결과는 에너지 분야의 권위지인 ‘Nano energy’(IF : 11.53)에 5월 19일(금) 온라인 게재되었다. 

 * (논문명) A highly-efficient, concentrating-photovoltaic/thermoelectric hybrid generator    
        - (제1저자) 한국과학기술연구원 길태현 박사과정
        - (공동 제 1저자) 한국과학기술연구원 광전소재연구단 김상현 선임연구원               

        - (교신저자) 한국과학기술연구원 전자재료연구단 백승협 선임연구원
                        한국과학기술연구원 광전소재연구단 최원준 책임연구원

 

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탄소섬유를 이용한 기능성 탄소나노소재 제조 및 응용 기술 개발
재활용의 차원을 넘어 고부가가치 물질로 전환, 다양한 분야에 응용 기대

 

탄소 기반 나노 구조체는 단일 소재만으로도 태양전지, 발광다이오드(LED), 바이오 이미징, 광촉매, 센서 등 다양한 분야에 활용 가능하다는 장점이 있어 산업 현장 및 학계에서 각광받고 있는 소재이다. 이와 더불어, 탄소 구조체 내에 이종 원소를 도입함으로써 광학적 특성 및 촉매 특성을 향상 시킬 수 있다는 연구 결과가 잇달아 발표됨으로써 관심도는 점점 더 증가하는 추세이다. 최근 국내 연구진이 수명이 다한 탄소섬유를 이용하여 고기능성 탄소나노소재로 재활용하는 기술을 개발했다고 밝혔다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원 복합소재기술연구소(분원장 김준경) 양자응용복합소재연구센터 배수강 박사, 탄소융합소재연구센터 이성호 박사 공동 연구팀은  폴리아크릴로나이트릴(PAN, Polyacrylonitrile)이라고 불리는 고분자 물질로 제작된 탄소섬유를 이용하여 고 결정성과 더불어 균일한 크기 분포도를 가지는 질소가 도핑된 그래핀 양자점을 효율적으로 합성할 수 있는 기술을 개발했다.

<그림 1>배수강 박사, 이성호 박사 공동 연구팀은 PAN 계열 탄소섬유를 이용하여 용액공정을 통해 4 nm 정도의 크기 및 3층 이하의 두께를 가지는 고품질의 그래핀 양자점을 합성 하였다.

 

연구팀은 PAN계열 고분자 섬유를 기반으로 하는 탄소섬유를 산(Acid) 용액에서 적정 온도로 가열하여 합성하는 하향식 접근법을 이용하여 균일한 크기 분포도를 가지는 수 nm 크기의 탄소 구조체를 합성하였다. 해당 공정은 저분자 유기 전구체를 가열하는 방식의 상향식 접근법으로 합성된 탄소 구조체에 비해 높은 결정성을 가지는 장점이 있고, 추가적인 후처리 공정 없이 결정성 저해 없는 이종 원소인 질소를 함유한 탄소 구조체를 합성할 수 있다. 또한, 경제적인 측면에서 수명이 다한 PAN 탄소섬유 및 복합소재를 사용할 수 있어 원료물질의 비용부담이 전혀 없는 그래핀 양자점 합성방법이다. 현재 탄소섬유 복합소재를 생산하고 사용하는 산업체에서 재활용 및 폐 복합소재 처리 방안이 큰 이슈인 상황에서, 본 연구는 리싸이클(recycle) 개념을 넘는 기존 물질보다 부가가치가 높은 물질로 전환하는 업싸이클(upcycle) 기술을 제시한다는 측면에서 그 의의가 크다고 할 수 있다. 후지 경제에 따르면 2030년 PAN계 탄소섬유복합재료 시장은 약 40조 8000억 원으로 2015년 대비 관련시장이 4배 가량 급속 성장할 전망이다.

<그림 2>해당 탄소 양자점의 광학적 특성을 보여주는 결과이다. 원소재인 PAN 섬유의 열처리 온도에 따라 합성된 그래핀 양자점의 질소 및 산소 원자의 성분비에 차이가 생기며, 이로 인해 상이한 발광 특성을 보이게 된다.

제조된 그래핀 양자점의 광·전기적 응용 분야의 적용 가능성을 제시하기 위해 전도성 고분자를 이용하였다.  특히, 유기 태양전지 소자의 정공 전달층에 소량 첨가하는 연구를 진행하였고, 최대 14.5%의 광전변환효율 향상이 가능함을 보임으로써 다양한 응용 분야에 적용 가능함을 시사했다. 

배수강 박사는 “추가적인 후처리 공정 없이 이종 원소를 효과적으로 도입함으로써 특성 향상 및 경제성을 크게 높인 것이 장점”이라 말하며, “향후, 탄소나노소재를 함유한 복합소재 분야 발전에 다양하게 응용될 것”이라고 밝혔다.

<그림3>그래핀 양자점이 함유된 정공 수송층을 이용하여 제작된 유기태양전지의 특성은 태양전지소자의 광 에너지 전환 효율(power conversion efficiency: PEC)은 최대 14.5% 이상 증가 하였다.

이번 연구로 학계에서는 그래핀 등 탄소 구조체의 특성 향상과 더불어, 폐 탄소섬유 및 복합소재를 이용한 다양한 기능성 소재로의 응용 및 재활용에 대한 발판을 마련한 것으로 평가하고 있다. 연구진은 이번 연구를 바탕으로 하여 고 결정성 탄소나노소재의 물성에 관련된 기초연구와 유/무기 복합 소재 제작, 그 특성에 대한 연구를 진행하고 있다. 본 연구는  미래창조과학부의 지원으로 KIST 기관고유사업, 글로벌프론티어사업 및 산업통상자원부의 산업핵심기술개발사업을 통해 수행되었으며, 에너지 재료 분야의 권위지인 나노에너지(Nano Energy, Impact Factor: 11.553) 4월호에 게재되었다.

 

* (논문명) ‘Multi-functional nitrogen self-doped graphene quantum dots for boosting the photovoltaic performance of BHJ solar cells’
  - (공동1저자) 문병준 연구원, 장다원 박사과정
  - (공동교신저자) 한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 배수강 박사
                        한국과학기술연구원 복합소재기술연구소 이성호 박사

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[YTN 사이언스] 유기 태양전지 효율·수명 높이는 기술 개발

 

국내 연구진이 유기 태양 전지의 '효율'과 '수명'을 높이는 기술을 개발했습니다. 경희대학교와 한국 과학 기술 연구원 공동 연구팀은 고분자 물질 4가지를 혼합해 사용하는 방식으로 유기 태양전지의 효율을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다고 밝혔습니다. 이 방법으로 제작한 유기 태양 전지는 광전 변환 효율이 10% 정도 늘었고, 65℃ 환경에서 1년 지나도 72% 이상 효율을 유지할 수 있었습니다.[...]

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[YTN 사이언스] '유기 태양전지 효율·수명 높이는 기술 개발

 

국내 연구진이 유기 태양 전지의 '효율'과 '수명'을 높이는 기술을 개발했습니다. 경희대학교와 한국 과학 기술 연구원 공동 연구팀은 고분자 물질 4가지를 혼합해 사용하는 방식으로 유기 태양전지의 효율을 높이고 수명을 늘리는 데 성공했다고 밝혔습니다.

 

이 방법으로 제작한 유기 태양 전지는 광전 변환 효율이 10% 정도 늘었고, 65℃ 환경에서 1년 지나도 72% 이상 효율을 유지할 수 있었습니다.

 

그동안 유기 태양 전지는 실리콘 태양 전지를 이을 차세대 에너지원으로 주목받았지만, 보통 한 달 정도 지나면 성능이 급격히 떨어진다는 문제가 있었습니다.

 

이번 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'에 실렸습니다.

 

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- 용액분산 그래핀*을 통한 태양전지 결정도 제어 및 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

 

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에기평, 태양광 R&D 성과 공유

 

한국에너지기술평가원은 태양광분야 R&D 성과 활용화 촉진을 위한 성과 공유회를 개최하였습니다. KIST에서도 태양광 발전을 위한 태양광 전지를 연구하고 있는데요, 이번 공유회에서는 손해정 박사님이 '유기태양전지 사용 환경별 장기안정성기술개발’ 을 설명하였습니다. 환경에 대한 관심이 높아지는 요즘 태양광 에너지 관련 연구가 잘 진행되고 어서 빨리 상용화 되면 하는 바람입니다.

 

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