균일한 효율의 페로브스카이트 필름 제작법 개발

 

- 첨가제로 사이클로헥실피롤리돈 사용, 손쉽게 필름균일도 향상시키는 데 성공

- 김동유 교수팀,Scientific Reports게재…페로브스카이트 태양전지 상용화 기여

 

 

 

 

<그림1> (맨 왼쪽) 기존의 페로브스카이트 용액에 첨가제를 넣지 않고 만든 필름의 표면. 결정 성장이 조절되지 않아 성장 방향이 각기 다르고 빈 공간이 많아 소자의 효율을 저하시킨다. (가운데) 페로브스카이트 용액에 첨가제를 넣고 만든 필름의 표면. 첨가제로 인해 결정 성장이 균일하게 될 수 있도록 조절되었고, 이로 인해 빈 공간이 없는 필름이 형성돼 첨가제를 넣지 않은 소자보다 증대된 효율을 보임. (맨 오른쪽) 김동유 교수

 

 

□ 국내 연구진이 차세대 태양전지의 소재로 주목받고 있는 페로브스카이트* 필름을 보다 쉽게 제작하는 방법을 개발했다. 기존에 사용되는 용매의 한계를 극복하고 새로운 첨가제를 사용해 보다 쉽고 저렴하게 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 데 기여할 것으로 기대된다.

 

  ∘ 지스트 김동유 교수(교신저자)와 한국원자력연구원(KAERI) 첨단방사선연구소 윤진문 박사(교신저자)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구자지원사업(도약연구)의 지원으로 수행되었고, 연구결과는 최고 권위의 과학전문지 네이처(Nature)가 발행하는 사이언티픽 리포츠(Scientific Reports) 11월 7일자 온라인판에 게재됐다.

 

* 논문 제목: Planar Heterojunction Perovskite Solar Cells with Superior Reproducibility

* 페로브스카이트(Perovskite): 부도체·반도체·도체·초전도체의 특성을 모두 지니는 ABX3 구

의 금속 산화물. 높은 흡광계수와 뛰어난 전하전이능력을 지니고 있는 물질로, 제조단가가 저렴하여 고효율의 차세대 태양전지 분야를 주도하고 있는 물질

 

□ 유‧무기 하이브리드 태양전지의 새로운 광(光)흡수 물질로 각광받고 있는 페로브스카이트는 특유의 결정구조와 그에 따른 우수한 광흡수 특성 때문에 높은 광전변환효율*을 보이고 있다. 또한 고분자에 비해 상대적으로 저렴하기 때문에 차세대 에너지소재로서 각광받고 있다.

 

  ∘ 하지만 페로브스카이트는 특유의 결정성*을 갖추기 위한 조건이 까다롭기 때문에, 매번 제작할 때마다 효율의 변동이 큰 단점을 지니고 있다. 그러나 페로브스카이트의 결정성을 조절하고 균일한 박막을 얻어낼 수 있다면 이러한 재현성 문제를 해결할 수 있다.

 

* 광전변환효율: 빛을 받았을 때 전기를 얼마나 생성할 수 있는지를 나타내는 효율

* 결정성:  물질을 이루고 있는 구성요소가 얼마나 규칙적으로 배열되어 있는지를 말함

 

 

 

 

<그림 2>  새로운 첨가제를 넣어 제작한 소자의 구조. 기존 방법으로 제작시, 필름이 불투명하며 필름이 형성되지 않은 부분이 관찰되지만, 새로운 첨가제를 사용하여 소자를 제작할 경우 필름에 광택이 나며 빈 공간이 보이지 않는다.

 

 

□ 연구팀은 새로운 첨가제를 이용해 페로브스카이트 결정의 성장을 조절하고, 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 데 걸림돌이었던 페로브스카이트 필름의 균일도*를 손쉽게 향상시켰다.

 

* 필름 균일도 : 이용된 기판에 페로브스카이트 물질이 빈 공간 없이 얼마나 촘촘하게 형성이 되었는지를 나타내는 정도

 

  ∘ 기존에는 용액공정을 통해 페로브스카이트 필름을 제작할 때 대부분 다이메틸포름아마이드(DMF)를 용매로 사용하고 높은 필름 균일도를 얻기 위해 장시간의 고온 열처리 공정과 값비싼 고진공 증착법을 사용한다.

 

  ∘ 하지만 연구팀은 DMF와 구조는 유사하지만 높은 끓는점과 낮은 휘발성을 지녀 결정 형성에 필요한 시간을 효과적으로 제어할 수 있는 사이클로헥실피롤리돈(CHP)을 첨가제로 사용해, 부분적으로 필름이 형성되는 기존 문제를 해결하고 전 면적에 균일하게 필름을 형성시켰다.

 

□ 김동유 교수는 “이번에 개발된 기술은 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 상업적으로 손쉽게 생산할 수 있는 가능성을 보여준 기술”이라며 “아직 완전히 밝혀지지 않은 페로브스카이트 결정 형성의 메커니즘을 밝히고 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 새로운 원천기술이 될 것으로 기대한다”고 말했다.     <끝>