노준홍 교수 연구팀, 과학분야 최고 권위지 NATURE 논문 게재

‘상용화의 문을 열 수 있는 할로겐화물 페로브스카이트 차세대 태양전지 기술’로 실려

페로브스카이트 태양전지 상용화 기술 개발 속도가 붙을 것으로 기대돼

▲ 공과대학 건축사회환경공학부 노준홍 교수

공과대학 건축사회환경공학부 노준홍 교수가 과학 분야 최고 권위지인 ‘네이처(IF=41.577)’ 3월 27일자(현지기준) 최신호에 ‘상용화의 문을 열 수 있는 할로겐화물 페로브스카이트 차세대 태양전지 기술’을 게재했다.

 - 논문명 : Efficient, stable and scalable perovskite solar cells using poly(3-hexylthiophene)
 - 저자 정보 : 정의혁 박사(제1저자, 한국화학연구원 박사후연구원), 노준홍 교수(공동교신저자, 고려대학교 건축사화환경공학부 부교수, 한국화학연구원 겸임연구원), 서장원 박사(공동교신저자, 한국화학연구원 책임연구원) 

이번 연구에 공동교신저자로 참여한 노준홍 교수는 한국화학연구원 연구진과 페로브스카이트 태양전지 연구를 공동으로 수행해왔다. 노 교수는 "할로겐화물 이중층 구조(Double-halide layered architecture, DHA)를 용액 공정으로 구현하여 고내구성을 갖는 전도성 상용 고분자의 성능의 극대화에 성공했다."고 밝혔다.

이번 논문에서는 상용화에 근접한 기술을 적용하여 고효율, 고안정성, 대면적 모듈화를 동시에 달성할 수 있는 획기적 연구 결과를 도출했다.  페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 가격이 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 최근 정부가 발표한 ‘재생에너지 3020 이행계획안’에도 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 소개됐다.  할로겐화물 이중층 구조 (Double-halide layered architecture, DHA)는 본 연구에서 개발한 광을 흡수할 수 있는 좁은 밴드갭 할로겐화물 (narrow band-gap halide, NBH) 층 상부에 넓은 밴드갭 할로겐화물 (wide band-gap halide, WBH) 층이 형성된 형태를 의미한다. (* 그림 참고)

페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서 해결해야 할 난제가 있었다. 기존 정공수송소재는 가격이 비싸고 높은 전도도 확보를 위한 첨가제 사용이 필수적이나 이로 인해 태양전지의 안정성이 취약했다. 또한 대면적 인쇄 코팅을 하려면 소재의 균일한 대량생산이 요구되는데 기존 정공수송소재로는 한계가 있었다. 

* 일반적으로 많이 쓰이는 정공수송소재는 PTAA와 Spiro-OMeTAD 고분자가 있다. 정공은 양전하를 가지는 입자로 전류를 운반하는 역할을 한다. 
* 일반적으로 친수성 첨가제(Li-TFSI, tert-butyl pyridine 등)를 소량 도핑한다.

이러한 조건을 모두 만족시키는 정공수송소재로 전도성 상용 고분자 P3HT가 있다. 이미 유기태양전지와 유기트랜지스터에서 활용되고 있어 페로브스카이트 태양전지에도 활용하고자 하였으나 16% 수준의 낮은 전력변환효율이 걸림돌이었다. 
* P3HT: poly(3-hexylthiophene), 고분자 정공수송물질 

이를 해결하기 위해 연구진은 태양광을 흡수하는 페로브스카이트 할로겐화물 박막 표면에 넓은 밴드갭을 갖는 신규 할로겐화물 박막을 용액 공정으로 형성하여 DHA를 구현하였다. DHA 형성 시, P3HT와 같은 알킬체인(Alkyl chain)을 갖는 HTAB 분자를 도입하여 HTAB의 알킬체인과 P3HT의 알킬체인을 지퍼처럼 맞물리게 하였다. 이를 통해 정공수송층인 P3HT의 자기조립(Self-assembly)을 유도하여 정공 전달 및 수송 효과를 극대화 할 수 있었다.  
* 알킬체인 (Alkyl chain): 분자 내에 체인(chain) 형태의 탄소와 수소로 이루어진 부분 
* HTAB: Hexyl Trimethyl Ammonium Bromide(헥실 트리메틸 암모니움 브로마이드) 분자

기존 정공수송소재는 정공수송능력 향상을 위해 친수성 첨가제가 사용이 필수적이었으나, 이번 연구에선 자기조립이 유도된 P3HT 고분자의 극대화된 정공 전달 및 수송 능력으로 첨가제를 사용하지 않음으로서 고내구성을 구현할 수 있었다.

본 연구에서 개발한 페로브스카이트 태양전지를 상대습도 85%에서 1,000시간 이상 보관했을 때, 초기효율 대비 80%의 성능을 유지했다. 지금까지 수분에 취약한 페로브스카이트의 특성은 상용화의 걸림돌이었다. 하지만 DHA 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지에선 높은 수분 안정성을 보인 것이다.

또한 실제 태양전지가 쓰이는 조건에서 1,300시간 이상 구동했을 때, 초기효율 대비 95%이상의 성능을 유지해 장기 구동 안정성도 확보했다. 이와 같은 높은 수분 안정성과 장기 구동 안정성은 실제 태양전지가 구동되는 외부환경에서도 장시간 고효율을 유지할 수 있다는 것을 의미한다.

이번 연구는 태양전지 상용화에 필수조건인 대면적화의 가능성도 보여줬다. 0.1㎠ 크기의 단위소자에서 확인한 기술을 25㎠ 크기의 대면적 모듈에 동일하게 적용한 결과, 25㎠ 대면적 모듈 기준으로 세계 수준의 고효율인 16%를 기록했다.

노준홍 교수는 “페로브스카이트 태양전지는 효율, 안정성 측면의 가능성이 이미 확인되었으나 어떠한 기술로 이를 구현할 수 있는지가 상용화의 관건이었다.”면서 “이번 연구 결과는 단순히 기존 기술 연장선상의 효율, 내구성 향상 기술 개발이 아닌 상용화에 근접한  새로운 기술을 통해 이를 구현하였다는데 더 큰 의의가 있다”고 말했다.

공동교신저자인 한국화학연구원 서장원 박사는 “전도성 상용 고분자를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 고효율과 고안정성을 확보한 신개념 페로브스카이트 박막기술 개발에 성공함으로써, 앞으로 다양한 전도성 고분자의 활용도가 높아졌다”면서 “이에 따른 페로브스카이트 태양전지 소자의 성능 향상도 기대된다. 앞으로 최적화된 공정을 통해 고효율 대면적 모듈 개발도 가능하기에 상용화에 더 가까워졌다”고 말했다.
 

[ 그 림 설 명 ]

(위쪽) 할로겐화물 이중 층 구조(DHA)가 적용된 소자 모식도와 P3HT 자기조립 개념도

(아래 왼쪽) 일반 비정질 P3HT 막 표면 및 DHA에 의해 자기조립된 P3HT 막의 표면 이미지

(아래 오른쪽) DHA/P3HT를 통해 향상된 태양전지 성능, 전류밀도-전합 그래프

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)