-한국화학연구원 연구팀, 초고효율 페로브스카이트 태양전지용 핵심 [소재전자수송층, 페로브스카이트층] 제조 기술 개발로 국제 학슬지 '네이처'
▶한국화학연구원 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트, 태양전지의효율을 획기적으로 향상할 수 있는 핵심 소재 기술 개발에 성공해 네이처지 표지논문에 선정됐습니다.
▶페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지와 비교했을때 저렴한 화학 소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있어 최근 큰 주목을 받았습니다. 그러나 기존 실리콘 태양전지의 광전변환율에 비해 여전히 효율이 낮아 상용화가 어려운 상황입니다. 한국화학연구원 연구팀이 개발한 태양전지는 0.1㎠에서 25.2%를 기록하고, 1㎠ 소자에서는 23%의 세계 최고 효율을 달성하여, 페로브스카이트 태양전지 상용화에 필수 조건인 대면적화의 가능성을 선보였습니다.
※광전변환효율이란 빛을 전기로 바꿔주는 비율입니다.
▶태양전지의 효율에 영향을 미치는 요소는 크게 전압과 전류입니다. 한국화학연구원 서장원 박스팀은 페로브스카이트 태양전지를 구성하고 있는 층의 소재 중에서 전압을 높일 수 있는 새로운 전자수송층 소재, 전류를 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재를 개발해 효율을 획기적으로 향상했습니다.
▶한국화학연구원 연구팀이 개발한 새로운 전자수송층 소재는 결함이 적어 전자의 이송을 원활하게 할 수 있습니다. 전자가 잘 이동하면 전지의 전앞이 높아지고 높은 전압은 높은 효율로 이어집니다.
▶한국화학연구원 연구팀은 새로운 전자수송층 소재를 만들기 위해 화학용액증착법을 개발, 화학용액증착법은 태양전지의 구성 층인 투명 전극 위해 주석산화물 등을 바로 합성시켜 전지수송층을 형성하는 기술입니다. 한국화학연구원 연구팀은 특히 전자수송층으로 사용되는 주석산화물 소재가 강한 환경에서 결함이 줄어든다는 것을 발견하고, 다양한 합성 변수를 조절해 결함이 적은 전자수송층을 개발하는데 성공했습니다.
▶한국화학연구원 연구팀은 빛을 더 많이 흡수할 수 있는 새로운 페로브스카이트 층 소재 합성법을 개발, 페로브스카이트 층 소재는 원래 '페로브스카이트'결정 구조로 이루어져 있는데, 이 결정에는 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정과 빛을 잘 흡수하지 못하는 노란색 결정이 섞여있습니다. 연구팀은 빛을 잘 흡수하는 검은색 결정을 더욱 안정적으로 확보하기 위해, 페로브스카이트 층을 투입할 수 있는 적절한 브롬의 비율을 찾아내 새로운 소재를 합성.
그 결과 전자가 더욱 빛을 많이 흡수할 수 있어 전류가 높아졌고 효율이 향상된 결과를 얻을 수 있었습니다.
▶이 논문에서는 빛을 전기로 바꾸는 전지로서의 성능 외에는 전기를 빛으로 바꾸는 발광소자로서의 응용 가능성을 보여 줬습니다. 발광효율은 지금까지 태양전지 효율의 우수성을 보여주는 지표 중 하나로 측정됐는데, 전 세계적으로 보고된 기존 페로브스카이트 태양전지의 발광효율은 약 5~10에 그쳤습니다. 그런데 이번 기술의 발광효율은 약 7%증가한 17%로 측정됐습니다. 이러한 세계 최고 외부 전기발광효율은 페로브스카이트 태양전지가 빛을 흡수해 전기로 만드는 동시에 밝은 빛을 낼 수 잇다는 가능성을 전세계 최초로 증명한 일이 됐습니다.
▶서장원 박사는 "이번에 보고한 25% 이상의 높은 효율은 이론 효율의 80.5%에 해당된다. 앞으로 효율 향상이 좀 더 이루어진다면 약 26% 이상의 효율도 가능하기 때문에 기존 실리콘 태양전지의 최고 효율 26.7%에 근접할 수 있을 것으로 기대한다"라고 말했습니다.
<한국화학연구원 보도자료 참고>
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