- 정공수송층에 적용하는 신규 도펀트 물질 개발을 통해 도출한 우수한 성과, 관련 기업에 기술이전

- 과학기술 분야 국제학술지 ‘Energy Environmental Science’ 2023년 3월호 온라인판 논문 게재

전 세계적으로 글로벌 기후 위기에 따른 탄소중립의 대두로 인한 재생에너지 비중이 확대되는 가운데, 국내 연구진이 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 대면적 셀을 개발하는 데 성공하였다.

페로브스카이트 태양전지 대면적 셀 세계 최고 효율을 달성한 공동연구팀

(왼쪽부터 KAIST 서장원 교수, 제1저자 김영웅 박사, 화학연 전남중 책임연구원)

한국화학연구원(원장 이영국) 전남중 박사 및 KAIST 서장원 교수 공동연구팀은 기존 흡습성이 큰 도펀트를 대신하여, 우수한 용해성을 가지는 이온성 액체 형태의 도펀트*를 개발하였고, 이를 통해 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 효율** 및 안정성***을 동시에 확보하였다.

* 도펀트(Dopant): 물질(재료) 또는 공정에 원하는 효과를 주기 위해 의도적으로 첨가하는 불순물로써, 페로브스카이트 태양전지 정공수송층에 포함되어 전기전도도를 향상시키는 매우 중요한 역할을 함

** 효율: 태양전지가 받는 빛의 양에 비해 만드는 전류의 비율로써, 높을수록 같은 태양 빛 아래에서 높은 전력을 생산할 수 있음

*** 안정성: 장기간에 걸쳐 태양전지의 출력(효율)이 얼마나 유지되는지 정도. 높을수록 초기의 성능과 비슷한 성능을 유지할 수 있음

신규 도펀트를 사용한 단위소자 및 대면적 셀 효율 인증서

신규 도펀트를 적용하여 단위소자에서 22.23% 대면적 200㎠ 이상에서 18.24%의 효율을 달성하였다.

인증서 발행기관은 미국 뉴포트(Newport) 사로써, 각종 태양전지의 효율을 인증해 주는 국제 공인 인증 기관이다. 이곳에서 세계 최고 효율을 인증받게 되면 리뷰를 통해 미국재생에너지연구소(NREL) 차트에 실리게 된다. 현재 연구팀은 본 기술을 NREL 차트 등록을 추진 중에 있다.

연구팀은 신규 도펀트 개발을 통해 페로브스카이트 태양전지 200㎠ 이상 대면적에서 18.24%의 효율을 달성하였다. 활성 면적 기준으로는 19.91%를 달성한 세계 최고 수준의 효율이다.

* 전 세계적으로 공신력이 있는 페로브스카이트 태양전지 차트인 ‘NREL 차트’ 기준 200㎠ 이상 대면적에서 17.9%가 기존 최고 효율, 본 기술을 국제 공인 인증 후 NREL 차트에 반영을 추진 예정임.

페로브스카이트 태양전지는 용액 공정을 통해 높은 효율을 달성할 수 있으면서도, 유연하고 훨씬 가벼운 태양전지를 구현할 수 있어 전 세계적으로 각광을 받아 왔다. 현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 좁은 면적(~0.1㎠)에서 효율을 개선하는 연구 중심으로 이루어져 왔다. 

따라서 넓은 면적에 동일한 성능을 구현할 수 있어야 하며, 그에 따라 장시간 동안 효율을 안정적으로 유지할 수 있는 기술 확보가 필수임에도 불구하고, 현재 이러한 안정성과 대면적화에 집중된 연구는 부족한 실정이다.

특히 그동안 페로브스카이트 태양전지 정공수송층*에 주로 사용되던 유기 단분자 소재(Spiro-OMeTAD**)는 효율 확보에는 유리하나 열에 매우 취약하였다. 반면에 유기 고분자인 PTAA(폴리트리아릴아민)***는 고온에서 매우 안정되지만, 효율을 극대화하기에는 한계가 있었다.

* 정공수송층(Hole Transport Layer): 태양전지 소자(Device)에서 빛을 받아 페로브스카이트층에서 생성되는 전자와 정공 중 ‘정공’을 전달하는 역할을 하는 층

** Spiro-OMeTAD: 가장 대표적으로 사용되는 유기 단분자 소재. 약칭 스파이로

*** PTAA: 폴리트리아릴아민, poly(triaryl amine) semiconductor

실제 개발한 대면적 셀 사진

신규 도펀트를 적용 및 레이저 식각 공정을 이용한 대면적 셀을 제작하였다.

이러한 문제를 극복하기 위해 ‘도펀트’를 도입하였는데, 주로 사용되어온 리튬(Li) 등의 이온 염 기반 도펀트는 전도도를 향상시켜 효율을 증가시킬 수 있었지만, 물과 매우 친한 성질을 지녀 물을 흡수하는 경향이 있었다. 이러한 수분은 페로브스카이트층 및 정공수송층을 장기적으로 분해하여 성능을 저해시키는 단점이 있다.

이에 공동연구팀은 정공 전달물질의 전기적 특성을 향상시키면서, 동시에 페로브스카이트 한계점을 보완하여 효율 및 안정성을 획기적으로 향상하여, 대면적 페로브스카이트에 적용 가능한 신규 도펀트를 개발했다.

본 연구진은 산-염기 반응에 힌트를 얻어 ▲ 정공 전달 고분자 PTAA에 전도도를 향상시킬 수 있는 ‘산 물질’과 ▲ 페로브스카이트 표면의 결함을 억제하여 안정성을 확보할 수 있는 아민 계열의 ‘염기 물질’을 반응시켜 신규 도펀트를 개발하였고, 아민의 탄소 원자 수와 농도를 조절하여 용액 내에 완전히 분산시켜 성공적으로 200㎠ 이상의 대면적에 코팅할 수 있었다.

이를 통해 ▲ 18.24%의 세계 최고 수준의 효율을 달성하였고, ▲ 연속 광조사 1,080시간 후 초기효율 대비 89% 이상, 85℃, 85% 조건하에서 초기효율 대비 90% 이상을 유지할 수 있었다.

본 기술을 개발한 에너지소재연구센터 구성원들

연구팀은 2016년부터 꾸준히 연구해온 특히 대면적 코팅기술과 레이저 식각 공정을 적용하여 고효율, 고안정성을 갖는 대면적 페로브스카이트 셀을 실현할 수 있었다. 현재 상용화된 실리콘 태양전지 셀의 크기와 유사한 200㎠ 이상 대면적의 세계 최고 효율 및 장기 안정성까지 확보하여, 저조도 사물인터넷(IoT) 제품형 태양전지, 건물 일체형 태양전지 등의 실질적 상용화에 한발 다가설 수 있을 것으로 전망된다.

연구팀은 관련 기술을 ’20년 국내 특허 출원 후 ’22년에 국내 특허 등록을 마쳤다. 국내 특허 등록 후 미국, 일본, 중국, 유럽에 특허 출원을 완료하였으며, 국내 페로브스카이트 태양전지 대면적 양산화 기술을 보유 중인 ㈜유니테스트에 기술을 이전하여 상용화를 추진할 계획이다.

화학연 이영국 원장은 “소재 및 에너지 소자 분야 관련 기업과의 적극적인 협업을 통해 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있기를 기대한다”라고 말했다.

이번 연구 결과는 과학기술 분야 국제학술지 ‘Energy Environmental Science’ 2023년 3월호 논문으로 게재됐다. 또한 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업, 과학기술정보통신부 창의형 융합사업, 산업통상자원부 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

< 연구진 소개 >

	○ 성명: 전남중 ○ 소속: 한국화학연구원 화학소재연구본부 에너지소재연구센터 ○ 전화: 042-860-7394 / 010-3410-1220 ○ 이메일: njjeon@krict.re.kr
	○ 성명: 서장원 ○ 소속: 한국과학기술원 생명화학공학과 ○ 전화: 042-350-3924 / 010-6344-1189 ○ 이메일: jwseo@kaist.ac.kr