주요 연구성과
NEW 조인선 교수팀, 페로브스카이트 태양전지용 신소재 전극기술 개발
- 2019-06-21
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우리 학교 조인선 교수팀이 효율과 안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지용 신소재 전극 기술을 개발했다. 이에 친환경 에너지 기술인 태양전지의 핵심소재 원천기술 개발과 국산화에 기여할 것으로 보인다.
조인선 교수(신소재공학과·대학원 에너지시스템학과, 사진) 연구팀은 소자의 효율과 내구성을 획기적으로 향상시킨 페로브스카이트 태양전지용 신소재 복합산화물 전극 기술을 개발했다고 밝혔다. 관련 연구 성과는 ‘Energy-level engineering of the electron transporting layer for improving open-circuit voltage in dye and perovskite-based solar cells’라는 제목으로 <에너지 & 환경 공학(Energy & Environmental Science> 3월1일자에 실렸다.
태양전지는 무한한 청정 태양 에너지로부터 전기와 같은 유용한 에너지원을 뽑아 낼 수 있는 친환경 에너지 기술이다. 현재 태양전지 시장에서 90% 이상을 차지하는 실리콘 태양전지는 효율이 높지만 공정이 복잡하고 가격이 비싸다. 이에 페로브스카이트 태양전지처럼 용액공정을 이용한 저가의 차세대 에너지 개발에 대한 관심이 매우 높다. 2012년경부터 본격 연구되기 시작한 페로브스카이트 태양전지는 저가의 용액공정을 통해 21% 이상의 높은 효율을 보이고 있다. 이는 기존 실리콘 태양전지(25% 수준)에 근접한 수준으로, 페로브스카이트 태양전지가 짧은 연구 역사에도 불구하고 현재 가장 주목받고 있는 차세대 태양전지 기술이 된 이유다.
페로브스카이트 태양전지는 보통 전자 수송층(electron transporting layer, ETL)과 페로브스카이트 광흡수체(perovskite light absorber), 정공 수송층(hole transporting layer, HTL)으로 구성되어 있다. 태양광을 쬐면 광흡수체에서 발생한 전자와 정공들이 각각 전자 수송층과 정곡 수송층으로 전달·포집되어 광전류와 전압 차이를 발생시키게 된다.
일반적으로 전자 수송층 전극으로 TiO2소재가 사용되고 있으며 전자 수송과 포집에 매우 중요한 역할을 한다. 하지만 TiO2소재는 산화물 반도체로 전자 이동도가 매우 낮기 때문에 전기적 특성 향상이 제한적이며 빛에 반응하여 화학반응을 일으키는 광촉매 특성이 우수하다. 이같은 특징이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 저하시키는 요소로 작용한다는 점이 그동안 한계로 남아 있었다.
<(왼쪽) Sr치환을 통한 페로브스카이트 구조를 가지는 BaSnO3 전극소재의 에너지 밴드 구조 제어 (Band Engineering). (오른쪽) 페로브스카이트 태양전지 (PSC) 및 염료감응형 태양전지(DSSC) 적용결과 광전류-전압 도표 및 효율>
조인선 교수는 “이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 전자 수송층용 광전극 소재가 연구되어 왔지만 신규 소재들의 효율과 안정성이 매우 낮았다”며 “연구팀은 광전극으로 새로운 소재를 도입하여 이러한 문제를 푸는데 성공했다”고 말했다.
연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 광전극으로 TiO2소재 대신 ‘스트론툼(Sr)이 치환된 바륨주석산화물(Ba1-xSrxSnO3)’을 도입했다. 이 물질은 전기적·광학적 특징이 매우 우수해 기존의 TiO2소재를 대체할 수 있는 유력 후보군으로 주목받아 왔다. 그러나 소재의 에너지 구조가 태양전지에 적합하지 못해 전압 손실과 광전변환 효율을 감소시킨다는 한계를 보여 왔다.
조인선 교수는 “소재의 에너지 구조를 자유롭게 조절해 태양전지에 최적화된 에너지 구조를 만들었다”며 “그 결과 개방 전압 손실을 최소화하고 21% 이상의 광전변환효율, 초기 효율 대비 96% 이상의 효율 안정성을 확보할 수 있었다”고 설명했다.
이어 “이번에 개발한 소재가 페로브스카이트 태양전지의 조기 상용화를 위한 기반기술로의 활용될 수 있을 전망”이라며 “페로브스카이트 태양전지 뿐 아니라 다른 형태의 태양전지, 배터리, 반도체 소자와 같은 다양한 에너지 생산·저장 기술 소자에 적용도 가능할 것으로 기대한다”고 덧붙였다.
이번 연구에는 조인선 아주대 교수와 석상일 울산과학기술원 교수가 교신저자로 참여했고 신성식 한국화학연구원 선임연구원이 제1저자로 함께 했다.