- 친환경 무기 물질기반으로 고전도율 지닌 정공수송체 개발
 - 오랜 시간에도 성능이 유지되는 고성능 친환경 태양전지 구현

 

   태양광 발전은 태양으로부터 나온 광(光)에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 방식으로 고성능 저비용 태양전지의 개발이 중요하다. 특히 태양광 발전은 이산화탄소가 발생하지 않아 친환경 발전의 대표주자로 세계 에너지 시장에서도 가파르게 성장하고 있다. 하지만 현재 많이 연구되고 있는 태양전지는 가격이나 내구도 측면의 문제로 인해 상용화가 지연되고 있는 실정이다. 국내 연구진이 이러한 문제를 해결할 수 있는 원천물질을 발견했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀은 기존의 태양전지 구동에 필요한 핵심부분 중 하나인 정공수송층*으로 널리 이용되던 유기 물질(spiro-OMeTAD**)을 지구상에 풍부한 무기 물질인 황철석 나노입자로 대체하였고 이를 사용하여 친환경적인 고성능·고안정성  페로브스카이트*** 태양전지를 개발하였다고 밝혔다.

 

 

※용어설명
*정공수송층 : 태양광에 의해 광흡수층의 엑시톤(exiton)이 전하와 정공으로 분리되어 생성된 정공

                 전극 쪽으로 원활하게 이동되어 전류를 생성해 주는 층을 말한다.
**spiro-OMeTAD : 구매가 가능한 대표적인 유기 홀 전도성 물질(hole conducting material)이다.
***페로브스카이트 : 1839년도 러시아의 광물학자 Perovski가 발견한 물질 구조의 이름이며, 다양한

                         전기적 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 결정 구조를 가진 물질이다.

                         그 중 유기물과 무기물이 혼재된 페로브스카이트 물질은 우수한 광전자 성질을 띄어

                         차세대 태양전지의 광 흡수층으로 다양한 연구가 이루어지고 있다.
 
   현재 상용화된 태양전지는 실리콘을 사용한 태양전지이나 고민재 박사팀이 개발한 태양전지는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지로 최근 몇 년 사이에 전세계적으로 많은 연구가 이루어지고 있어 기존 태양전지의 유력한 경쟁 후보로 부상하고 있다. 특히 최근 공식적으로 발표된 연구결과에 따르면 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 연구가 시작된지 4년만에 광전변환 효율 22.1%를 달성한 것으로 보고되었다. 그러나 태양전지 제작에 사용되는 정공수송체의 가격과 수분에 취약한 단점으로 인해 상용화에 많은 어려움이 있었다.

   이번 연구 결과는 바로 이러한 부분을 보완하는 획기적인 연구로 기대를 모으고 있다. 태양전지는 빛에너지를 흡수하여 광전자층의 전하와 정공을 분리시키는데 이 때 발생한 정공을 전극쪽으로 원활하게 이동시키기 위한 정공수송층이라는 부분이 있다. 광전자층으로 사용되는 페로브스카이트 물질 자체는 상대적으로 저렴하나 보편적으로 제작되는 페로브스카이트 태양 전지의 정공수송체에 사용되는 유기물질(spiro-OMeTAD)은 합성과 정제가 어려워서 백금이나 금 같은 귀금속의 10배 이상 가격이 비싼 상황이다. 가격이 비싼 정공 수송체를 상대적으로 가격이 저렴한 무기 물질을 대체하는 연구도 진행 되었으나 광흡수 층인 페로브스카이트 물질과 무기 정공수송체간의 계면에서 화학 반응이 일어나 전지가 손상되어 장시간 작동이 불가능하였다. 또한 유무기 복합 페로브스카이트는 물에 취약하여 대기 중에 존재하는 수분에도 쉽게 손상되므로 성능이 지속적으로 유지되지 않는 문제가 있었다. 최근 이를 극복하기 위해 표면 처리나 다양한 물질들을 삽입하여 수분에 대한 안정성을 확보하려는 시도가 있었으나 그 성능과 안정성 면에서 굉장히 제한적인 상황이었다. 반면 본 연구팀이 제시한 신규 무기 물질은 지구상에 풍부하기 때문에 저렴하며, 표면성질을 개질하여 페로브스카이트 물질과 화학적 반응이 일어나지 않아 화학적 안정성 및 소수성(수분으로부터의 안정성)을 확보하였다. 바로 이 신규 무기 물질이 고전도성, 소수성을 띄는 황철석 나노입자이다. KIST 고민재 박사 연구팀은 기존의 전도성 유기 물질(spiro-OMeTAD)을 대체하기 위해 황철석에 주목하여 개발한 나노입자를 정공수송층으로 사용하였다. 황철석은 지구상에 풍부하여 채굴 중 많이 발견되며 노란 광택 때문에 금으로 착각되기도 한다. 서양에서는 소위 ‘바보들의 금‘이라 불린다. 연구팀이 개발한 표면을 개질한 신규 무기물질은 주로 방수제의 원료로 사용되는 옥타데실아민(Octadecylamine)이란 물질로 감싸 비극성 용매에 녹이는 용액공정으로 저온에서 손쉽게 정공수송층 제작이 가능하다. 또한 이렇게 합성된 물질은 기존 물질보다 우수한 전기전도도를 나타내는 것이 실험을 통해 확인하였고, 이를 도입하여 제작된 페로브스카이트 태양전지는 14.2%의 높은 전력 변환효율을 기록하였다. 또한 연구팀은 1000시간 후에도 화학 반응 및 수분으로부터 안전하게 태양전지가 구동됨을 실험을 통해 입증하였다.

   연구책임자인 고민재 박사는 “이번에 개발된 신규 무기 소재는 유무기 복합 페로브스카이트 태양전지의 안전성 향상에 지대한 기여를 하였고, 차세대 태양전지의 상업화를 앞당겼으며, 광 흡수층이나 메모리 소재, 다양한 기기의 전극 등 중요 부품으로 활용되어 자리 잡을 것으로 기대된다” 라고 밝혔다.

   본 연구는 KIST 기관고유사업과 미래창조과학부(장관 최양희)와 한국연구재단이 추진하는 기후변화대응기술개발사업과 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 재료 분야의 전문학술지인 ‘Advanced Functional Materials’(IF : 11.8) 8월 9일자에 표지논문으로 게재되었다.

 

 

 

 * (논문명) Pyrite-Based Bi-functional Layer for Long-term Stability and High Performance of

              Organo-Lead Halide Perovskite Solar Cells
      - (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 구본기 연구원, 한국과학기술연구원 정희석 연구원
      - (교신저자)      한국과학기술연구원 고민재 박사

Posted by KIST PR

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