건물 일체형 태양전지 등 신재생에너지 상용화 기대
인류의 주요 에너지원인 화석 연료 고갈과 환경 문제로 인해 무한한 청정에너지원인 태양전지에 대한 관심이 높아지고 있다.
페로브스카이트 태양전지는 기존의 실리콘 태양전지에 비해 훨씬 저렴한 비용으로 제작할 수 있을 뿐 아니라 효율도 실리콘 태양전지와 비슷해서 차세대 신재생 에너지원으로 각광받고 있다. 여기서 페로브스카이트는 ABX3 (A는 1가의 유기 양이온, B는 2가의 금속 양이온, X는 1가의 할로겐 음이온)의 화학조성으로 구성된 결정 구조를 가진 신소재이며, 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정구조를 가진 유무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지를 말한다.
페로브스카이트 태양전지란
페로브스카이트 태양전지는 최근 22% 이상의 효율을 달성하면서 상용화에 바짝 다가갔으나 아직까지 소자의 면적이 너무 작아 발전용으로 사용하기에는 충분한 에너지를 낼 수 없는 문제가 있었다. 페로브스카이트 태양전지를 실생활에 적용 및 상업화하기 위해서는 고효율을 유지하면서 대면적화시키는 기술이 필요하다.
유무기 하이브리드 페로브스카이트는 이온성 물질이다. 용액 공정으로 박막(두께 1/1,000mm 이하의 매우 얇은 막을 말하며, 일반적으로 기계적 가공으로는 만들어 낼 수 없다) 제조 시 강한 이온 상호작용으로 인해 급격한 결정화 현상을 보인다. 이로 인해 치밀하고 균질한 박막을 제조하기 어렵다는 문제가 있다.
특히 강한 친수성(물 분자와 쉽게 결합하는 특성을 갖고 있어, 물과 닿았을 때 물이 잘 퍼지는 특성)을 보이는 전구체 용액을 소수성(물을 싫어해 물과의 접촉 면적을 최소화하려는 성질을 말한다. 일반적으로 물에 닿는 접촉면의 화학적 구조에 기인하는 특성이며 물을 좋아하는 친수성과 반대되는 개념)의 유기전하수송층 위에 도포할 경우 젖음성(고체 표면에 액체가 닿았을 때 고체와 액체 간의 상호 작용에 의해 액체가 퍼질 경우 얼마나 잘 퍼지는가 하는 척도)이 매우 좋지 않다. 용액공정에서 대부분의 용액이 강한 반발력으로 인해 튕겨져 나가 버리고 형성된 필름이 표면을 제대로 덮지 못하는 문제가 발생한다. 이는 페로브스카이트 태양전지의 대면적화에 있어 큰 걸림돌이다.
여기서 유무기 하이브리드는 유기물과 무기물이 섞인 소재를 의미하며 유기물과 무기물은 탄소 화합물의 유무에 따라 분류한다. 일반적으로 탄소화합물이 있으면 유기물, 없으면 무기물로 정의한다.
또한 용액 공정이란 필름 형성이 진공 증착법이 아닌 소재를 용매에 녹여 페인트를 칠하듯 코팅해내는 공정을 말한다. 특히 인쇄 공정을 도입할 경우 태양전지를 신문 인쇄하듯 찍어낼 수 있다. 그리고 유기전하수송층은 탄소원자로 이루어진 유기물로서 반도체 특성을 보이며 페로브스카이트에서 받은 전하를 수송해 태양전지의 효율을 높여준다.
이광희 교수(광주과학기술원) 연구팀은 미래창조과학부 기초연구지원사업(개인연구), 신산업창조프로젝트사업, 기후변화대응기술개발사업, 국가 간 협력기반조성사업으로 연구를 수행해 차세대 신재생에너지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지 면적을 10배 이상 크게 만들어도 효율이 떨어지지 않게 하는 새로운 기술을 개발했다. 이 내용은 재료과학 분야 세계적인 학술지 어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials) 4월 10일자에 게재되었다.
▲ 그림 1. 페로스카이트 박막 필름 모폴로지에 대한 계면 상용화제의 역할
균일한 고품질 페로브스카이트 박막 제작
대면적에서 균질한 페로브스카이트 박막을 얻기 위해서는 유기전하수송층 표면의 표면에너지를 높여 전구체 용액의 젖음성을 개선해야 한다. 이광희 교수 연구팀은 공액 고분자 전해질이 분자구조 내에 탄소기반 벤젠 체인과 이온성 기능기를 갖고 있어 친수성질과 소수성질을 동시에 갖는 양친성(분자구조 내에 친수성과 소수성의 특성을 나타내는 분자를 동시에 지녀 친수성과 소수성 표면 모두와 잘 결합하는 특성) 특성을 보이는 데 착안해, 페로브스카이트 층과 유기전하수송층 사이에 계면 상용화제로 도입했다.
여기서 공액 고분자란, 고분자의 골격을 이루는 탄소 결합이 하나의 결합 방식이 아니라 단일결합과 이(다)중결합을 번갈아가며 반복적으로 나타내는 구조를 기본 골격으로 가진 고분자를 의미한다. 그리고 전해질은 용액 상태에서 분리되는, 이온을 갖고 있는 물질로서 전류가 흐르는 물질을 말한다. 일례로 소금은 전해질이기 때문에 소금 자체에는 전류가 흐르지 않지만 소금물은 전류가 통할 수 있다.
양친성 고분자 전해질 계면 상용화제는 소수성의 특성으로 인해 유기전하수송층과 우수한 접착력을 보이고 동시에 말단기에 존재하는 친수성의 이온들은 페로브스카이트 전구체 용액과 상호작용해 젖음성을 획기적으로 증가시켜 준다는 점을 확인했다.
기존의 페로브스카이트 태양전지는 면적이 증가함에 따라 효율이 급격하게 감소하는 데 비해, 계면 상용화제를 도입한 페로브스카이트 태양전지는 대면적에서도 소면적의 태양전지와 거의 성능 차이를 보이지 않았다.
또 다양한 유기전하수송층에 계면 상용화제를 적용했을 때도 표면의 극성이 효과적으로 개질됨을 확인하고, 어떤 표면 위에서도 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 용액 공정을 통해 손쉽게 제작할 수 있음을 확인했다.
그 결과 양친성 고분자 전해질을 계면 상용화제로 도입하여 소수성의 유기전하수송층 위에 18.4cm2(4cm×4cm) 면적의 균일한 고품질 페로브스카이트 박막을 제작하는 데 성공했다. 총 활성면적 6cm2(1cm2×6단위 셀)에서 평균 16% 이상, 최고 17% 이상의 효율을 달성했다. 이는 소면적 단위소자 효율 19% 대비 90%에 근접하는 효율이며, 대면적 페로브스카이트 태양전지에서 가장 높은 결과이다.
전자소자의 대면적화 방향 제시
이번 연구는 넓은 면적에서의 페로브스카이트 박막 제작에 있어서 중요한 방법을 제시했다. 유기전하수송층의 표면에 양친성 고분자를 계면 상용화제로 도입해 이온성 페로브스카이트 전구체 용액의 젖음성을 획기적으로 개선시킴에 따라 고품질의 페로브스카이트 박막을 어떤 표면에서도 용액 공정으로 손쉽게 제작할 수 있다는 것을 보였다.
이 결과는 대량 생산 및 양산에 있어 중요하게 생각되는 인쇄 공정에서의 페로브스카이트 태양전지 수율(제품 생산 시 총 생산품 대비 양품의 비율을 의미한다. 즉, 수율이 높다는 것은 그만큼 불량품이 적다는 뜻이다)을 크게 증가시켜 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 보인다.
나아가 태양전지뿐 아니라 발광소자, 트랜지스터 등의 다양한 이온성 페로브스카이트 소재 기반 전자소자의 대면적화에도 중요한 방향을 제시할 것으로 기대된다.
이광희 교수는 “이 연구는 고성능의 대면적 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발한 것이다. 저비용 용액공정을 통해 큰 면적으로 제작이 가능하므로 반투명 빌딩 유리 태양전지 패널과 같은 건물 일체형 태양전지 등에 적용할 수 있다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 기대된다”라고 연구 의의를 설명했다.
