초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발

안녕하세요? 한국화학연구원 서장원입니다.

금주 25일 네이처에 실릴 초고효율 페로브스카이트 태양전지 소재 개발에 대한 연구내용을 발표하겠습니다.

태양전지는 태양광에너지를 전기에너지로 변환시켜주는 소자입니다. 잘 아시는 바와 같이 실리콘 태양전지가 개발되어서 활용되고 있습니다. 빛을 받아서 이렇게 전류를 발생하는 층을 광활성층이라고 합니다. 본 연구에서는 실리콘 대신 페로브스카이트 소재를 활용한 차세대 태양전지에 대한 내용입니다.

빛을 받았을 경우에 전하가 발생되고 이때 각각의 전극으로 정공과 전자가 이동해서 전류를 흘려주게 되는 원리를 갖고 있습니다. 이때 필요한 정공수송층과 전자수송층이 필요한데요. 본 연구에서는 전자수송층 소재 페로브스카이트 박막제어 등에 대한 연구 초점에 대한 개발내용을 다루고 있습니다.

페로브스카이트라는 용어는 기존 광물에서 발견된 결정구조를 이르는 말입니다. 그래서 다음과 같은 화학구조식 ABX3를 갖고 있고요. 다음의 그림과 같은 결정구조를 갖고 있습니다.

대표적인 물질로는 포름아미디늄(FA), 레드아이오다이드, FApbI3가 있는데요. 이런 레드할라이드계 페로브스카이트 소재가 태양전지에 활용되고 있습니다.

이것을 이루는 전구체 소재는 값이 싸고 또 소자를 만들었을 경우에 높은 효율을 낼 수 있는 장점이 있습니다. 또한 용액 공정을 통해서 이런 대면적 코팅이나 또 연속공정에 대한 롤투롤 공정의 적용이 가능하기 때문에 대량생산도 가능합니다.

또한, 이런 인쇄공정을 저온 공정화 할 수 있는 장점이 있어서 투명전극, 고분자투명전극에 활용하면 가볍고 유연한 태양전지를 만들 수 있고요. 또 반투명 태양전지도 만들 수 있는 장점을 갖고 있습니다.

실리콘 태양전지는 수십 년간 연구개발을 통해서 26.7%의 최고효율을 갖고 있습니다. 페로브스카이트 태양전지는 2009년 일본에서 처음 선을 보인 이후에 2012년, 2013년부터 본격적인 고효율화 경쟁이 시작되었습니다.

약 10년 정도 안 되는 사이에 20%의 이상의 효율이 되었고요. 보시는 것처럼 스위스나 영국 등 유럽이 선도하고 있으며, 저희 한국화학연구원을 비롯해서 대한민국의 성균관대나 울산과학기술원도 이 고효율화 경쟁에 선도 기술을 갖고 있습니다.

2017년 22.7% 효율 이후에 2018년에는 23%대 중국과학원이 그 고효율화 기술을 선도하게 되었습니다. 이 부분에 대해서 저희는 좀 더 높은 효율을 확보하고자 어떤 전략을 짤지에 대해서 고민을 하였습니다.

보시는 것처럼 페로브스카이트 소재는 갖고 있는 밴드기업에 대해서 약 31%가 이론치 효율에 가장 높은 효율입니다.

아직까지 얻어진 효율은 좀 더 증가할 수 있는 부분이 큽니다. 그래서 빛을 많이 받아서 전류를 많이 발생시키는 light management 방식이 있는데요. 이미 실제치가 이론치에 가깝게 많이 형성이 되어있습니다.

그보다는 발생된 전하를 잘 이동시켜줘서 손실 없이 효율을 높이는 쪽의 carrier management 방식을 저희는 선택해서 고효율화 하기 위한 전략을 세웠습니다.

이를 위해서 페로브스카이트 자체 전자수송층 계면 등에 대한 연구가 필요한데요. 지금까지 고효율화 한 소자를 살펴보면 전자수송층은 다음과 같이 염료감응형 소자에서 사용됐던 다공성 TiO2를 활용한 경우와 최근에는 틴옥사이드(Tin Oxide) 나노 결정을 이용한 경우가 있습니다.

그래서 저희는 이 부분에 대해서 연구를 시작하였고요. 다공성 TiO2의 경우에는 우수한 전자추출 특성이 있으나 500도 이상의 높은 공정이 필요한 그런 어려운 부분이 있습니다.

또한 틴옥사이드 나노 입자는 입자를 결정입자를 만든 다음에 사용하기 때문에 비교적 짧은 공정시간과 또 낮은 온도 그리고 이상적인 에너지 레벨을 갖고 있습니다만, 표면 특성의 결함 등으로 인해서 낮은 전자추출 특성이 있습니다.

따라서 이를 해결하려고 저온에서 합성 가능한 우수한 전자추출 특성을 가진 소재개발이 필요합니다. 그래서 저희는 용액합성증착법을 활용하고자 하였습니다.

보시는 것처럼 이 방법은 촘촘하고 치밀한 박막 합성이 가능한데요. 여러 가지 조건을 제어함으로써 틴옥사이드 전자수송층을 만들 수 있습니다. 그러나 아직까지 원리나 이런 이해 그리고 태양전지 소재에 적용하는 예가 적습니다.

그래서 본 연구를 통해서 저희는 반응시간이나 산성도 조절을 통해서 이러한 박막 특성을 제어했는데요. 보시는 것처럼 이 표면은 저희가 사용하는 FTO라는 투명전극의 표면이 울퉁불퉁합니다. 그 위에 용액합성증착법을 활용하게 되면 다음과 같이 점점 이런 주석산화물이 형성이 되고 입자가 커져서 최종적으로는 이렇게 기다란 막대 형태까지도 가능합니다.

저희는 적절한 층을 갖고 있는, 즉 투명전극을 치밀하게 감싸고 적절한 얇은 두께를 통해서 전자이동도를 높여줄 수 있는 이 구조를 구현했습니다.

그래서 이 영역 내에서 페로브스카이트 소자를 만들었을 경우에 24%의 효율을 얻을 수 있었고요. 이 부분은 미국 Newport에서 인증을 받아서 다음과 같이 NREL 차트라는 곳에 저희가 업데이트를 할 수 있었고 이는 2019년 4월입니다.

그래서 중국과의 경쟁에서 MIT와의 공동 연구를 통해서 24.2%를 이룰 수 있었고요. 또한 이런 고효율화 기술을 선도하기 위해서 그 격차를 좀 더 벌리고자 저희는 지금까지 개발된 전자수송층 위에 페로브스카이트 박막을 결정화를 향상하는 그런 연구 노력을 실행을 했습니다.

그래서 보시는 것처럼 FApbI3라는 페로브스카이트 소재를 통해서 상안정성을 확보하면서도 결정크기를 증가시킬 수 있게 필요한 첨가제에 해당되는 양을 조절하여 양이 줄어들었을 때 결정크기가 증가된 것을 확인할 수 있었고, 또한 전하이동 수명이 향상되는 것을 확인할 수 있었으며, 또한 전하이동도가 그 양에 따라서 증가하다가 감소하는 것을 볼 수 있었습니다.

그래서 저희가 원하는 그런 크기와 특성을 갖고 있는 이 영역대의 신조성에서 소자를 만들었을 경우에 전류값의 증가에 의해서 25.2%의 인증을 리포트에 받을 수 있었고, 2019년 9월에 NREL 차트를 갱신하여서 보시는 것처럼 2019년 말에 이 내용을 NREL 차트에 업데이트할 수 있었습니다.

보시는 것 같이 실리콘과 약 한 1%대 정도의 효율 차이를 보이고 있기 때문에, 보다 상용화 기술에 조금 더 도움이 될 수 있는 고효율화 기술이 저희 한국화학연구원을 통해서 개발이 될 수 있었습니다.

또한, 면적을 조절해서 1㎠에서도 23%의 높은 효율을 얻을 수 있었고요. 그다음에 고효율 페로브스카이트 태양전지 소자 자체를 높은 결정성을 갖고 있기 때문에 이러한 부분들이 결함이 적다는 부분이 있습니다. 그래서 이런 발광소자에서도 구현이 되는 것을 확인할 수 있었고, 보시는 것처럼 발광소자율을 17% 이상 높은 형... 얻을 수 있었습니다.

다음은 이 페로브스카이트 태양전지 소자를 직접 구동전압을 통해서 발광이 되는 것을 동영상으로 보이고 있는데요. 이것을 적외선이기 때문에 눈에 잘 보이지 않기 때문에 카메라를 통해서 보이는 실제적인 발광 특성을 보이고 있습니다.

이러한 내용들이 우수성을 인정받아서 네이처에 실리게 되었고요. 또한, 표지 이미지로도, 커버 이미지로도 저희가 선정이 되었습니다.

지금까지 말씀드린 소재 개발에 대한 동영상을 살펴보면, 투명전극을 용액합성증착법을 통해서 이런 주석산화물 전자수송층을 직접 합성을 하고요. 이때 온도나 산성도, 시간 등을 조절해서 합성할 수 있습니다.

이렇게 만들어진 전자수송층은 다음과 같은 모폴로지를 갖고 있고요. 그 위에 용액공정을 통해서 페로브스카이트 박막을 형성할 수 있습니다.

이런 간단한 공정한 이후에 열처리를 하게 되면 결정성 성장을 통해서 고결정성을 만드는데요. 기존 조성이 아닌 조성 재료를 통해서 결정성을 향상시키는 그런 부분을 볼 수 있고요. 그 위에 정공수송층과 금속 전극을 얹어서 소자를 완성할 수 있습니다.

그래서 기존에 왼쪽의 그림이라면 이번에 향상된 결정성을 갖고 있는 페로브스카이트 박막과 새로 개발된 전자수송층을 통해서 전자 추출이 더 우수하고, 25.2를 얻었고요. 또한, 이런 발광소자를 형성했을 때도 이렇게 전지발광 구동이 가능한 것을 확인할 수 있었습니다.

핵심 참여 연구진은 한국화학연구원 신성식 박사 그리고 유정완 박사후연구원, 서갑경 학생연구원이고 페로브스카이트 태양전지 한국화학연구원 연구팀 전체 사진입니다.

본 연구는 과학기술정보통신부의 지원 그리고 한국연구재단, NST, 한국화학연구원 그리고 산업부 에기평의 지원을 통해서 이루어졌습니다. 감사합니다.


[질문·답변]
※마이크 미사용으로 확인되지 않는 내용은 별표(***)로 표기하였으니 양해 바랍니다.

<질문> 2년 전에 과천에 오셔서 발표하셨던 것도 기억하는데 그때 효율을 25.2%로 발표했었던 거죠? NREL 차트에.

<답변> 그때 발표했을 때는 22.7%로 2017년에 했었고 2019년에 그때도 네이처에 발표했었고, 그때 가서 발표를 했던 것 같습니다.

<질문> 여기 보면 앞에도 25.2%고 뒤에도 보도자료가 25.2%인데, 그러니까 25.2%가 NREL 차트에 올라간 게 2019년이잖아요.

<답변> 예, 2019년.

<질문> 이번의 논문은 효율이 더 올라간 건 아니고 그때 했던 연구의 내용을 실어서 논문이 게재된 건가요?

<답변> 예, 저희가 이제 소자 고효율화 기술은 2019년에 인증을 받는 기관도 굉장히 많은 노력이 필요합니다. 그래서 그것은 2019년에 인증을 받고 NREL 차트에 올릴 수 있었고요.

그다음에 이게 연구내용을 분석이나 여러 가지들을 연구를 통해서 뒷받침하고요. 이런 scientific한 advance를 잘 정리해서 네이처에 투고하게 됐는데 굉장히 많은 리뷰 시간이 걸렸던 것 같습니다.

<질문> 그러니까 NREL 차트에 올린 것보다 네이처에 논문 게재한 기간이 길어서 그렇게 된 거거든요.

<답변> 맞습니다.

<질문> 현재 NREL 차트 1위는 어디인가요?

<답변> 울산과학기술원의 석상일 교수님 팀에서 25.5%를 최근에 올렸습니다.

<질문> 산업부에서 작년에 태양전지 R&D 관련된 앞으로 향후 계획에 대해서 발표할 때 페로브스카이트 태양전지는 마치 앞으로 상용화가 굉장히 어렵다고 판단한 것 같은 그런 뉘앙스의 발표를 한 적이 있거든요, 아시겠지만. 그리고 앞으로 산업부는 ‘탠덤(Tanem) 전지를 밀겠다.’라고 했는데, 그 얘기에 대해서 어떤 생각을 가지고 계신지 궁금합니다.

<답변> 지금 말씀드리는 페로브스카이트 태양전지는 거의 10년 정도의 연구를 통해서 이루어진 결과입니다. 아시는 것처럼 실리콘 태양전지는 수십 년간의 개발과 또 학계뿐만 아니라 산업에서의 어떤 연구개발도 매우 중요했다고 생각되어집니다.

보시는 페로브스카이트 태양전지는 고효율화 기술이라고 해서 충분히 상용성을 인정받았습니다. 그리고 지금 말씀하신 실리콘 탠덤 태양전지는 실리콘 기판 위에 페로브스카이트 소재를 상부셀로 활용한 탠덤화를 통해서 초고율화를 달성하고자 하는 전략입니다. 따라서 저희가 개발한 이런 고효율화 기술, 페로브스카이트 소재기술, 공정기술 이런 것들이 모두 다 포함이 되어서 그 기술을 서포트하면서 같이 고효율화 하는 부분으로 할 수 있습니다.

물론, 저희가 생각하기에도 아직까지 페로브스카이트 태양전지의 연구에 대한 기간이 길지 않기 때문에, 조금 더 안정성이나 또 대면적화라든지 이런 부분에 대한 연구가 같이 계속되어야 그런 부분까지 충분히 잘 될 수 있을 것 같습니다.

<질문> 페로브스카이트 태양전지 상용화를 의심하는 논거의 핵심 논거가 효율이 아니고 수명이잖아요? 수명이 어느 정도 도달해야 되는데, 현재 수준은 어떻습니까?

<답변> 이제 페로브스카이트 지금 고효율화 하는 정도의 단위소자 내에서는 가속조건에서 굉장히 장기간 사용할 수 있는 그런 안정성들이 많이, 좋은 결과들이 확보되고 있습니다. 그리고 이제 많은 연구자들이 연구를 하고 있기 때문에, 그 부분에 대해서는 좀 더 좋은 결과들이 개선될 수 있을 것으로 확신을 하고 있습니다.

또한, 이러한 기술들의 어떤 발전들은 결국은 학계뿐만 아니라 또 산업계하고 같이 연관돼서 시너지를 통해서 활용이 될 수 있을 것 같고요. 특히, 말씀하신 탠덤화를 통한 페로브스카이트 상부셀이 중요한 연구전략도 되어야 되기 때문에 그런 부분에도 도움이 될 수 있을 것 같습니다.

<질문> 현재 상태, 현재 단계에서의 수명특성이 실리콘 대비 페로브스카이트가 어느 정도 되는 건가요?

<답변> 그런 부분은 제가 이 자리에서 이렇게 단정해서 말씀드리기는 좀 어렵고요. 그럼에도 불구하고 이제 유럽의 스타트업이라든지 이런 부분에서는 탠덤 태양전지를 통해서 실질적으로 활용할 수 있는 부분에 대해서 매우 긍정적으로 지금 연구를 하고 있고, 그런 결과들이 발표가 되고 있습니다.

<질문> (사회자) 온라인으로 들어온 질문 하나 드리겠습니다. 연합뉴스의 기자님께서 하시는 질문입니다. 페로브스카이트 태양전지의 경우 효율을 높이기 위한 경쟁이 치열한데, 그와 함께 진행돼야 할 부분이 산업화를 하기 위한 연구일 겁니다. 페로브스카이트 전지의 경우 실리콘 태양전지보다 실제 환경에 적용하기 어려운 구조적인 취약성이 있지는 않은지요?

이를 극복해 산업화하기 위한 연구는 어느 정도 진행되어 있는지, 실리콘 태양전지를 대체하는 것은 언제 가능할 것으로 예상하는지를 설명해주시기 바랍니다.

<답변> 다 비슷한 질문들이고, 굉장히 중요한 것 같습니다. 지금 현재 페로브스카이트 태양전지는 이제 말씀드린 것처럼 작은 단위소자에서 안정성에 대해서는 많은 부분이 해결이 되어지고 있습니다. 특히, 수분에 취약한 부분들도 있는데요. 그런 부분들은 저희가 단위소자에 봉지막을 활용했을 때 그 부분이 크게 개선되는 부분도 있고요.

페로브스카이트 결정 자체를 보완해주거나 표면에 이러한 소수성 그런 후처리나 또 소수성 고분자라든지 이런 부분들을 도입함으로써, 자체적인 특성을 높여주는 그런 결과나 연구들도 많이 진행되고 있어서 안정성 부분을 바로 상용화에 적용하기는 조금 더 연구가 많이 되어야 되겠습니다만, 매우 긍정적으로 기대를 하고 있습니다.

그다음 질문은...

<질문> (사회자) 그리고 방금 전에 질문하신 기자님이 한 가지 더 질문을 하셨는데요. 이번 성과는 발전효율을 높이는 것과 전자수송 효율을 높이는 것을 통해 이루어진 것이라고 설명하시는 것 같은데, 두 부분의 개선효과를 조금 더 자세하게 설명해주시기 바랍니다.

<답변> 기존의 전자수송층은 다공성 TiO2라는 소재가 있었고요. 또한, 주석산화물 나노입자를 활용한 경우가 있었는데요. 나노입자의 경우에는 코팅을 통해서 저희가 형성하는데, 나노입자의 표면의 결함이라든지 저희가 사용하는 투명전극에 완벽한 코팅이 안 되는 경우도 있고요.

이런 결함적인 문제들이 있기 때문에 그 부분을 아주 혁신적으로 하기 위해서는 새로운 용액합성증착법을 통해서 울퉁불퉁한 이런 투명전극 위에 치밀한 박막을 만들어주고, 그다음에 전자이동도 손실 없이 나가도록 하기 위한 그런 층을 만들어주는 그런 부분에서 크게 개선이 되었고요.

또한, 그 위에 페로브스카이트 박막을 형성하는 데 기존의 방식에서는 두 가지 물질을 혼성한 조성에서 활용이 되고 있습니다. 그런데 이때 첨가제로 활용되는 그런 소재의 경우에 저희가 그 양을 조절하거나 조성을 제어하게 되면, 보다 결정크기를 크게 만들 수 있고 특히나 발생된 전하들이 확산이 아주 먼 경로를 통해서 가는데 손실 없이 가는 부분도 형성할 수 있고요. 그런 부분에 있어서 또 전하이동도도 필요한데요, 이동도도 훨씬 더 증가되는 것을 확인할 수 있었습니다.

그래서 페로브스카이트 소자 고효율화가 있는 부분에서 빛을 받은 전하가 이동하는 데 도움이 되고 또 추출을, 전자추출을 하는 데 있어서 전자수송층의 역할이 중요한데 이 부분이 크게 개선되어서 효율을 높일 수 있었습니다.

<질문> 발광소자 관련해서 최근에 페로브스카이트 LED 발표들이 많이 되고 있는데요. 최근에 많이 발표된 페로브스카이트 LED 소자들하고 오늘 말씀하신 이것과는 어떻게 다른 겁니까?

<답변> 저희가 보여드린 내용의 발광소자는 페로브스카이트 태양전지의 고효율을 위해서는 페로브스카이트 결정막의 결함이나 이런 defect을 굉장히 줄이는 부분이 굉장히 중요합니다.

그래서 그것을 반증하기 위한 하나의 방법으로 저희가 발광소자를 통해서 발광소자 효율을 측정할 수 있는데요. 태양전지의 소자 효율이 낮으면 이러한 발광소자 효율도 낮습니다. 그런 데에 비해서 고결정성 페로브스카이트 박막을 갖게 되면 그런 defect이나 이런 부분을 줄일 수 있기 때문에 다음과 같이 높은 발광소자 효율을 얻을 수도 있고요.

그러나 저희가 사용하고 있는 페로브스카이트 소재는 적외선, 즉 빛이 가시광선 전체를 포함하고 해당되는 부분이기 때문에 발광특성이 거의 800나노 정도에서 나타납니다. 실질적으로 저희 눈에는 잘 보이지 않는 그런 영역입니다. 그렇기 때문에 저희가 보여준 demonstration은 카메라 동영상을 통해서 RGB 필터를 통해서 이미지화한 형상이고요.

지금 말씀하신 페로브스카이트 LED는 주로 저희가 눈으로 볼 수 있는 영역에서 디스플레이를 활용할 수 있게 녹색이라든지 이런 부분에 대해서 강조하는 컬러를 구현하는 발광특성에 대한 연구가 많이 연구되고 있습니다.

페로브스카이트 소재는 앞서 말씀드린 조성을 제어함으로써 빛을 낼 수 있고 흡수할 수 있는 영역대를 쉽게 제어할 수 있는 그런 장점이 있습니다. 그래서 그러한 장점을 활용해서 이런 결정특성이 좋은 부분들이 이러한 발광특성도 좋게 하는데 연결이 되고 있습니다.

<질문> (사회자) 추가질문이 있습니다. 동아사이언스의 기자님 질문인데요. ‘지난번 화학연에서 나노입자 광사태 브리핑을 하셨습니다. 그때 페로브스카이트에 적용하는 방안을 논의한다고 하셨는데, 어떠한 진척이나 상황이 진행 중이신지 설명 부탁드립니다.’입니다.

<답변> 실리콘 태양전지라든지 이런 많은 태양전지들이 있는데요. 페로브스카이트 태양전지는 주로 흡수하는 영역대가 가시광선 전체를 포함하고 거의 빛을 많이 흡수하지 않는 영역이 800~850나도 정도 되는 영역입니다.

앞선 광사태 나노입자 같은 경우에는 빛을, 1,000나노 이상의 빛을 받아서 800나노 정도에서 발광을 함으로써 어디서나 빛을 구현할 수 있는데요. 이러한 부분을 페로브스카이트 소자나 이런 태양전지 소자와 접목을 하게 되면, 페로브스카이트가 흡수를 하지 못하는 이런 1,000나노 이상의 영역대 빛을 활용해서 전류값을 향상하는 데 도움이 될 수 있을 것 같습니다. 그래서 이러한 부분에서 지금 이것을 페로브스카이트 소재에 적용할 수 있는 방법론을 같이 논의하고 진행을 하고 있습니다.

<답변> (사회자) 발표 감사드립니다. 더 추가로 질문하실 게 없으신 것 같습니다. 그러면 이것으로 브리핑을 모두 마치겠습니다. 발표하시느라고 고생 많으셨습니다. 감사합니다.

<끝>