결정성장 기술을 통한 태양전지의 고효율화 실현
국내 연구진이 페로브스카이트* 결정의 성장을 제어하는 기술을 통해 재현성이 뛰어나고, 광 포집(light harvesting) 기능과 전하 추출능력(charge carrier extraction)이 우수한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다.
※ 페로브스카이트 : ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. 특히 A(양이온)에 유기물을 사용할 경우 태양전지 특성이 우수한 물질이 된다.
이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 글로벌프런티어사업인 멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수 교수)의 지원을 받아 성균관대학교 박남규 교수 연구팀이 수행하였고, 연구결과는 8월 31일(일) 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 온라인에 게재되었다. 또한 미국 MIT 공대에서 발간하는 MIT 테크놀로지 리뷰(제목: Controlled Crystals Make a New Solar Material Practical, 8. 31)에도 소개되었다.
※ 논문명 : Growth of CH3NH3PbI3 cuboids with controlled size for high-efficiency perovskite solar cells
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 낮은 발전단가로 인해 태양광 시장에서 차세대 태양전지로 최근 중요성이 부각되고 있다.
페로브스카이트 태양전지는 투명전도성 기판 위에 탄소와 질소로 이루어진 유기물 용액과 요오드 기반의 무기물 용액을 코팅하여 매우 얇은 페로브스카이트 필름을 만든다. 이때 페로브스카이트 필름을 어떻게 만드는가에 따라 태양전지 성능이 달라진다. 빛을 매우 잘 흡수하고 전자를 많이 모을 수 있게 페로브스카이트 필름을 설계·제조하면 최대의 전기를 생산할 수 있다.
연구팀은 페로브스카이트 필름 제조 시, 유기물 농도를 크게 하면 페로브스카이트 결정이 작아지고, 반대로 유기물 농도를 줄이면 페로브스카이트 결정이 크게 성장하는 것을 발견하였다.
또한 큰 결정이 작은 결정에 비해 빛을 이용하는 특성도 우수하고 빛에 의해 생성된 전자를 효율적으로 추출할 수 있는 능력을 가진다는 것을 분광학적 분석을 통해 발견하였다.
연구팀은 페로브스카이트 결정을 크게 성장시키는 기술을 활용하여 광전류 21.64mA/cm2, 광전압 1.056V인 17.01%의 고효율 태양전지 개발에 성공하였다. 이는 선행연구(Advanced Materials ‘14. 6월)의 효율(16%)를 뛰어 넘는 우수한 성과이며, 특히 평균효율의 표준편차가 0.4% 이하로써 공정 재현성도 우수하여 양산화에도 바로 적용할 수 있을 것으로 예상하고 있다.
주요 연구 내용
페로브스카이트 태양전지는 최근 높은 효율과 낮은 공정단가로 인하여 각광을 받는 새로운 차세대 태양전지 기술이다. 페로브스카이트 태양전지의 핵심물질인 CH3NH3PbI3 화학식의 페로브스카이트는 요오드화메틸암모늄 (CH3NH3I)과 요오드화납 (PbI2)을 이용하여 만들어지는데, 박남규 교수팀은 페로브스카이트 필름을 제조하는 과정에서 요오드화메틸암모늄의 농도를 조절할 경우 페로브스카이트 결정의 크기가 다르게 성장되는 것을 발견하여 17.01% 고효율 태양전지 개발에 성공하였다.(선행연구 효율 16%, Advanced Materials ‘14. 6월) 특히 평균효율의 표준편차가 0.4% 이하로 재현성도 우수한 제조공정을 개발하였다.
연구팀이 개발한 공정은 투스텝 (2-step) 공정으로, 첫 번째 단계에 PbI2를 코팅하고 두 번째 단계에 CH3NH3I를 코팅하여 CH3NH3PbI3 를 제조하였다 (그림 1참조).
2-step 공정에서 CH3NH3I 농도를 고농도 (예, 0.063 몰)에서 저농도 (예, 0.038 몰)로 감소할 경우 페로브스카이트 결정이 약 100 nm에서 약 700 nm 로 크게 성장하는 것을 발견하였다 (그림 2참조).
저농도에서 결정이 큰 이유는 초기에 작은 결정이 씨앗으로 만들어 진 후 결정이 성장하여 20초 후에는 큰 결정으로 만들어진다는 것을 시간추적 전자현미경으로 관찰하였다. 반면 고농도에서는 초기에 이미 작은 결정이 빈 공간 없이 형성되어 더 이상 결정성장이 일어나지 않았다 (그림 3참조).
특히, 태양전지 성능이 페로브스카이트 결정 크기에 매우 의존 적임을 발견하였는데, 큰 결정이 작은 결정에 비해 높은 효율에 유리하다는 것이다. 고효율의 원인으로 결정이 클수록 전류가 크기 때문인데, 연구팀은 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 그랏첼 교수 연구팀과 공동으로 큰 결정이 광포집 (light harvesting) 특성이 우수하고 전하추출 (charge carrier extraction) 능력이 탁월하기 때문에 높은 전류생성이 가능함을 밝혔다 (그림 4참조).
박남규 교수 연구팀은 페로브스카이트 결정을 크게 성장하는 기술을 통해 광전류 21.64 mA/cm2 및 광전압 1.056 V를 얻어 17%의 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다 (그림 5참조).
대표그림
주요 연구 설명 사진
그림1. 2-step 페로브스카이트 필름 제조공정. 첫번째 단계로 PbI2 코팅하고 두번째 단계로 CH3NH3I를 코팅한 후 100 oC에서 열처리 후 CH3NH3PbI3 페로브스카이트 제조.
그림2. 전자현미경으로 관찰한 농도변화에 따라 페로브스카이트 결정이 서로 다른 크기를 가짐 (a-e). 고농도에서 저농도로 변화할수록 결정크기가 약 100 nm에서 약 700 nm 로 변함 (f,g)
그림3. 저농도 (0.038 몰)에서 초기 작은 결정이 시간이 경과함에 따라 큰 결정으로 성장하는 과정 (a). 반면 고농도 (0.063 몰)에서는 초기에 이미 작은결정이 빈공간 없이 형성되어 더 이상 결정성장이 일어나지 않음 (b). 전자현미경 사진 속 작은 사진은 페로브스카이트 필름의 색을 나타냄.
그림4. 저농도 (0.038 몰)에서 형성된 큰 결정이 고농도 (0.063 몰)에서 만들어진 작은 결정에 비해 광전변환효율 (PCE)이 상대적으로 높게 나타남. 이는 상대적으로 높은 광전류 (Jsc) 와 높은 충진계수 (FF) 때문 (a-d). 높은 광전류의 원인은 광포집 (light harvesting) 특성이 우수하고(e) 전하추출 (charge carrier extraction) 특성이 우수하기 때문 (f).
그림5. 17% 효율 페로브스카이트 태양전지의 전류-전압 특성 (a) 및 파장에 따른 광전 변환 특성 (b).
