KRICT 한국화학연구원

□ 한국화학연구원 에너지소재연구센터 서장원 박사 연구팀은 페로브스카이트* 태양전지를 구성하고
   있는 새로운 소재를 개발해 전지의 열안정성을 높이고 1cm2 소자 세계 최고 효율(20.9%)을 기록
   했다. 본 성과는 네이처 에너지 (Nature Energy, IF=46.859) 7월 9일자(현지일자) 온라인판에 게재
   되었다.
   * 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질로 AMX3 화학식을 갖는
   구조체(A, M은 양이온, X는 음이온, 발견자인 러시아 과학자 페로브스키를 기념하여 명명함)

 ○ 페로브스카이트 태양전지는 제조가 쉽고 저렴해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 태양전지가 상업화
   되려면 태양광을 전기에너지로 변환시키는 효율과, 실제 태양전지 구동 환경에서의 높은 온도에 대한
   열안정성이 동시에 높아야 한다. 하지만 지금까지는 페로브스카이트 태양전지에서 고효율과 열안정성을
   동시에 만족시키기 어려웠다. 화학(연) 연구팀은 효율을 높게 유지하면서 열안정성도 동시에
   만족시키는 기술을 개발했다.

□ 페로브스카이트 태양전지 단면은 총 세 개의 층으로 이루어져있다. 맨 위에는 물질의 정공*을 이동시키는
   정공 수송 층이, 가운데에는 빛을 받아 전하를 생성하는 페로브스카이트 구조의 화합물 층이, 아래에는
   전자를 이동시키는 전자 수송 층이 있다. 태양광을 받으면 페로브스카이트 구조를 가진 중앙 화합물 층의
   전자와 정공이 이동하면서 전기가 발생한다. 이 때 정공은 양극으로, 전자는 음극으로 이동하는데 정공을
   운반하는 층을 정공 수송 층이라고 한다. 연구팀은 이 정공 수송 층에 쓰이는 새로운 화학소재를
   개발했다.
   * 정공 : 반도체 내에서 전자가 부족한 상태를 나타내는 가상의 입자로서, 전자와는 반대로 양의 전하를 띈다.

 ○ ‘DM’으로 명명된 새로운 화학소재는 정공을 운반하는 능력이 뛰어나고 페로브스카이트 전지에
   최적화된 에너지레벨*을 지녔다. 이러한 특성은 태양전지의 개방전압을 높이는 데 결정적인 영향을
   끼쳤다. 개방전압은 태양전지의 효율을 측정하는 주요 기준으로, 본 소재를 적용한 페로브스카이트 태양
   전지는 단위소자 면적(0.1cm2)보다 10배 큰 1cm2 소자에서도 높은 효율을 보였다**.
   * 에너지레벨 : 물질의 전기적 특성에 관한 고유 값(원자, 분자 혹은 고체 물질 등과 같이 양자역학적 계에서
   형성된 전자들이 존재할 수 있는 양자화된 상태들이 가지는 에너지 값)
   ** 태양전지 소자 효율은 단위 면적당 입사하는 빛 에너지와 태양전지 출력의 비율을 의미한다. 소자 효율을
   측정하는 항목에는 개방전압, 단락전류밀도, 성능지수가 있는데, 본 기술은 개방전압을 높였다. 전압이 높으면
   태양전지의 효율이 향상된다.

 ○ 또한 기존 정공 수송 소재인 Spiro-OMeTAD 소재가 가지고 있는 취약한 열안정성을 극복했다. 신규 개발된
   소재는 섭씨 60도에서 500시간 이상 장기 열안정성을 보이고 있다.

 ○ 본 결과는 같은 면적 1cm2에서 지난 2017년 기록한 19.7%의 효율(사이언스지 게재)을 약 1년여 만에 갱신한
   성과다. 한편, 화학(연)에서 지난해 11월 미국재생에너지연구소(NREL) 차트의 단위소자 면적 세계 최고 효율
   (22.7%)을 기록한 기술과는 다른 기술이다. 그러나 성능 면에서 지난해 기술에 버금가는 우수한 결과*다.
   * 2017년 22.7% 효율은 단위소자인 0.1cm2에서의 결과이며, 올해 본 기술을 적용한 결과는 단위소자에서
   22.6%, 그 10배 면적인 1cm2에서는 20.9% 효율이다 (1cm2 세계 최고 효율).

□ 화학(연) 서장원 박사는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 효율과 열안정성을 동시에 확보하여
   상용화 가능성을 높였다는 데 큰 의미가 있다. 앞으로 고효율화 기술을 적용한 대면적 모듈 제조 개발에
   힘쓰겠다.”고 향후 계획을 밝혔다.

 ○ 공동교신저자로 참여한 화학(연) 이재민 박사는 “이번에 새롭게 개발된 정공 수송 소재는 유기화합물로
   이루어져 있다. 앞으로, 우리나라가 강점을 가지고 있는 유기반도체 소재 분야와 페로브스카이트 태양전지
   분야의 협업이 더욱 활발해질 것으로 기대된다.”고 말했다.

 ○ 이번 연구는 화학(연) 주요사업 및 산업통상자원부 한국에너지기술평가원 신재생에너지 핵심기술 개발사업,
   과학기술정보통신부 한국연구재단 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 학문후속세대
   대통령포스닥사업의 지원으로 수행되었다.

 - 논 문 명: A fluorene-terminated hole-transporting material for highly efficient and stable perovskite solar
   cells (DOI:10.1038/s41560-018-0200-6)
 - 저자정보: 화학(연) 서장원 박사(공동 교신저자), 이재민 박사(공동 교신저자), 전남중 박사(공동 제1저자),
   나혜진 연구원(공동 제1저자), 정의혁 박사(공동 제1저자)