- 세계 최고수준의 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발 

- 에너지 분야 국제학술지에 고효율 원리를 이론적으로 분석한 논문 게재

■ 한국에너지기술연구원(곽병성 원장) 울산 차세대전지연구개발센터는 울산과학기술원, 한국광기술원과 공동으로 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 핵심 기술인 첨가제의 작동원리를 이론적으로 밝혀내고, 이를 셀프레스(Cell press)에서 발간하는 에너지 분야 국제학술지 ‘Joule’에 개재했다고 밝혔다. 

○ 줄(Joule) : 에너지 분야에서 높은 주목을 받고 있는 국제 논문집으로 셀프레스(Cell press)에서 발간(2017년 3월 신규 발간)

○ 페로브스카이트는 유기물질과 무기물질이 결합된 형태로 광흡수율이 뛰어나고 전자-정공의 수명과 이동거리가 길어 차세대 고효율 태양전지의 핵심재료로 평가받고 있다. 이를 통해 제작된 태양전지는 현재 상용화되고 있는 실리콘 태양전지나 박막태양전지와 비교해 제조장비와 재료비가 저렴하고 제조절차가 간단해 차세대 태양전지로 각광받고 있으며, 현재 세계 최고효율은 24.2%에 달한다. 

○ 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위해서는 먼저 균일한 두께를 유지하면서도 결정성이 우수하고 결정 크기가 큰 페로브스카이트 박막을 제조해야 한다. 이러한 박막은 순수한 페로브스카이트 용액만으로 제조하기 어렵기 때문에 제조 시 여러 가지 첨가제를 함께 섞게 되는데, 현재까지도 박막을 제조하는 과정에서 어떤 첨가제를 어떻게 사용해야 고효율이 구현되는지 명확하게 밝혀지지 않았다.

■ 연구원은 페로브스카이트 박막을 구현함에 있어 용액공정단계에서 염화메틸암모늄을 첨가했을 때 결정성이 3배 커지고, 결정크기가 6배 향상되었으며, 발광(photoluminescence) 수명이 4배 이상 향상되는 등 전기화학적 성질이 기존 대비 3~4배 좋아진다는 결과를 얻을 수 있었고, 24%이상의 효율을 구현했다고 밝혔다. 또한 이러한 고효율 결과를 얻을 수 있는지에 대한 이론적인 분석에 성공했다고 밝혔다. 

○ 우선, 염화메틸암모늄을 첨가하면 염소(Cl)이온이 기존 요드(I) 이온보다 크기가 작아서 메탈금속에 강하게 결합되어 체심입방구조(cubic structure)가 우선적으로 형성되어 소성을 하지 않은 상태에서도 불순물이 없는 안정한 구조를 형성한다는 것을 밝혀냈다.  

○ 또한, 소성과정에서 염소이온은 날아가고 체심입방구조는 더욱 견고하게 되면서 결정성이 기존의 3배 이상 향상되고 결정크기도 5배 이상 커지면서 저효율의 원인이었던 전자와 정공의 재결합(recombination)을 크게 줄여준다는 것을 밝혀냈다.  

○ 더 나아가, 고효율을 구현하기 위해서는 염화메틸암모늄의 농도를 0.4배 몰비로 첨가하는 것이 가장 적절한데 이는 양이온으로 치환되는 메틸암모늄의 양이 0.4배 몰비 영역에서 형성에너지(formation energy)가 가장 낮게 형성된다는 것을 알아냈다. 

■ 연구 논문의 교신저자인 한국에너지기술연구원 김동석 책임연구원은 “이번에 발표된 논문은 첨가제를 활용해 세계최고 수준의 페로브스카이트 태양전지를 구현하고 이를 이론적으로 밝혀내었다는데 의의가 크다”며 “향후 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현함에 있어 이론적인 뒷받침이 될 것”이라고 밝혔다. 

○  또한 공동 교신저자인 울산과학기술원 김진영, 곽상규 교수는 “그동안 알려지지 않는 고효율 페로브스카이트 태양전지가 왜 형성되는지 그 이유를 밝히는 중요한 연구결과로 향후 페로브스카이트 태양전지의 고효율화 구현에 큰 도움이 될 것이다.”고 전했다.