차세대 태양전지 수명문제 규명하여 상용화에 발판 
 - 페로브스카이트 태양전지 수명 20배 이상 길어진다 -

 

 

(왼쪽부터) 이광희 교수, 백형철 박사, 김근진 박사

 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 기후변화대응기술개발사업, 신산업창조프로젝트 사업의 지원을 받은 이광희 교수 연구팀(광주과학기술원)이 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지* 소자의 수명문제 원인을 규명하고 수명이 긴 태양전지를 개발하였다고 밝혔다. 

 

  * 페로브스카이트 태양전지: 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지

 

□ 유·무기 복합 페로브스카이트 태양전지는 에너지 전환효율이 20%를 넘었지만, 수명이 짧아 상용화에 걸림돌이 되어 왔다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 수명 원인에 대해 기존 연구와 달리 유·무기 복합 페로브스카이트 층이 형성될 때 발생되는 할라이드 음이온**에 의하여 소자의 효율 감소가 진행되어 수명이 짧아질 수 있다는 것을 최초로 밝혔다. 

 

  ** 할라이드 음이온 : 주기율표 상의 7족 원소들로, 7개의 최외각 전자를 가지며 보통 이온으로 존재하며 유·무기 복합 페로브스카이트 결정구조를 형성하는 주요한 원소들 중 하나로 결정형성에 참여하지 못할 경우 페로브스카이트 층을 벗어나 자유롭게 움직일 수 있음 ex) F, Cl, Br, I 

 

 

<그림 1> 연구팀이 규명한 페로브스카이트 태양전지소자의 열화 메커니즘. (a,b) 소자의 열화 기작. 페로브스카이트 층의 내부에 존재하는 할라이드 음이온 결함이 상부 금속 전극으로 이동하여 금속과의 반응을 일으킴. (c) 열화에 따른 소자의 성능감소. 페로브스카이트 층의 흡수 변화 없이 소자의 성능이 급격히 감소함. (d,e) 화학적 중화법을 이용한 소자의 수명증대 기작. 아민이 포함된 타이타늄 산화물을 수명증대층으로 도입하여 할라이드 음이온을 화학적으로 중화시키고, 금속을 보호함. (f) 긴 수명을 가지는 페로브스카이트 태양전지소자의 성능 

 

 

□ 연구팀은 소자의 효율 감소 현상을 해결하기 위하여 할라이드 음이온을 화학적으로 중화***시킬 수 있는 기능층을 소자에 도입하여 소자의 수명을 획기적으로 연장시키는 가능성을 제시하였다. 

 

  *** 화학적으로 중화 : 이온화된 원소와(할라이드 음이온) 반대되는 극성을 띈 물질을(양이온) 이용하여 할라이드 음이온의 전하상태를 화학적으로 중성화되도록 만드는 기법

 

□ 이광희 교수는 “이 연구성과는 페로브스카이트 태양전지의 효율 감소 원인을 밝히고, 이를 화학적 중화법으로 해결하여 수명을 1년 이상으로 연장하게 되었다”며, “페로브스카이트 태양전지 상용화에 있어 중요한 전환점이 될 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 밝혔다.  

 

□ 이번 연구결과는 환경과학 분야 최고 권위의 학술지인 에너지 엔 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)  4월 14일자에 게재되었다.

 

 

한국연구재단‧GIST 대외협력팀