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학술

고성능 페로브스카이트 태양전지 개발

' Nature Energy'지에 1월 4일자 게재

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용매 사용 없는 고상 할로겐화물 박막 간 접합 기술 개발
고려대 노준홍 교수팀-서울대 최만수 교수팀 공동연구



고려대학교(총장 정진택) 건축사회환경공학부 노준홍 교수팀은 서울대 기계공학부 최만수 교수팀과 공동 연구로 기존 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지 1의 효율과 안정성을 크게 개선할 수 있는 새로운 고상 평면 성장 공정 (Solid-phase in-plane growth, SIG)을 개발했다. 이를 통해 2차원(2D)과 3차원(3D) 페로브스카이트 결정구조2를 갖는 박막 본연의 특징을 유지한 접합 구조 구현에 성공했다. 이번 연구 성과는 에너지 분야 최고 권위 과학저널인 “Nature Energy (인용지수=46.495)”지에 1월 4일자(현지기준)로 온라인 공개됐다.

연구팀은 2D 할로겐화물을 적용하기 위해 일반적으로 이용하던 용액 기반 기술3 에서 탈피하여 고체 상태에서 결정 성장을 유도하는 2D/3D 박막 접합 기술을 제시했다. 

SIG 기술은 미리 제작된 2D 할로겐화물 박막을 3D 할로겐화물 박막상부와 접촉 시킨 후 열과 압력을 가하여 2D 막을 3D막 상부에 온전히 형성시키는 것이다. 

이렇게 얻어진 2D/3D 이중층은 수분 안정성과 구동 안정성뿐만 아니라 접촉 계면의 손상이 없어 우수한 열안정성(thermal stability)을 확보 할 수 있다.

이러한 신규 고상 접합 공정과 이를 통해 발현된 우수한 소자 특성 연구 결과를 “네이처 에너지”지에 발표했다.

- 논문명 : Intact 2D/3D halide junction perovskite solar cell via solid-phase in-plane growth

- 저자 정보 : 노준홍 교수 (교신저자, 고려대학교), 최만수 교수 (공동교신저자, 서울대학교), 장연우 박사과정(제1저자, 서울대학교), 이승민 석박통합과정(공동제1저자, 고려대학교) 

2D/3D 페로브스카이트 이중층 구조는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화를 위해 고안되어 초기 효율과 수분 안정성을 크게 개선했지만, 용액공정에 의한 피할 수 없는 계면 반응으로 인해 형성된 불안정한 상으로 열안정성에 큰 한계점이 존재했다.

일반적으로 페로브스카이트 태양전지에 언급되는 3D 할로겐화물 페로브스카이트는 광흡수층 소재로서 다수의 결함을 포함하는 표면으로부터 기인하는 손실 및 안정성 문제가 있었다.

이러한 3D 할로겐화물의 안정성을 개선을 위해 화학적으로 안정한 2D 층상 결정구조의 할로겐화물 소재가 제안되었다. 하지만 빛을 전기로 바꾸는 광전변환 능력이 부족하여 단독으로 사용이 어려고, 3D 페로브스카이트 윗면에 이중층으로 형성하여 사용하는 방식이 고안됐다. 

지금까지 2D/3D 이중층 접합을 형성하기 위해, 고안정성의 2D 막을 형성할 수 있는 전구물질을 적절한 용매에 용해시켜 3D의 광흡수층 표면에 도포하여 반응을 유도하는 용액 기반의 기술이 이용되어왔다. 그러나, 이러한 용액 기반의 기술은 2D 상부 층이 하부의 3D 할로겐화물과 2D 전구물질 사이의 반응으로만 형성되기 때문에, 의도한 단일 2D상 형성이 어렵고 불안정한 쿼지(quasi)-2D 상5의 형성을 수반하여 열에 취약하다는 문제점이 존재했다.
 
용액공정에 사용하는 전구물질을 용해하는 용매에 의한 3D 박막의 손상은 또한 소자의 낮은 열안정성을 초래했다.

이러한 용액 기반 기술의 문제를 해결하기 위해 본 공동연구진은 고상의 2D 할로겐화물 박막을 적용하여 용매를 전혀 사용하지 않는 SIG 공정을 고안하여 두 박막의 온전한 특성을 그대로 유지할 수 있는 2D/3D 이중층 구조 구현에 성공했다.

SIG 공정은 2D 결정 박막을 3D 박막에 접촉시킨 뒤 열과 압력을 인가하여 3D 박막 위에 2D 박막을 재성장 시키는 기술이다.

2D 막은 각 층이 반데르발스 인력6으로 결합된 평면 층상 구조를 가지며, 열과 압력에 의해 2D 박막으로부터 3D 막의 표면으로 이동된 후 평면 방향으로 성장하여 치밀한 막으로 형성된다. 그 결과, SIG를 통해 만들어진 2D/3D 이중층은 용액 기반으로 형성된 이중층과 다르게 2D와 3D 할로겐화물이 모두 온전한 결정 구조로 형성될 수 있으며 2D 막의 두께 조절 또한 용이하다.

고려대-서울대 공동연구진이 이번에 개발한 SIG 기술로 제작된 페로브스카이트 태양전지는 성능과 안정성에서 우수한 결과를 보여준다. 특히, 기존 용액공정 2D/3D 이중층에서 문제가 되었던 열 안정성에서 우수한 결과를 나타낸다.

2D 막은 3D 막과 접합을 통해 높은 내부 전위차를 형성시켜 페로브스카이트 태양전지의 개방전압7을 향상 시킬 수 있음을 확인하였으며, 이를 통해 24.35%의 높은 공인 효율을 달성했다.

SIG 기술은 공정 온도에 따라 2D 막의 두께를 제어 할 수 있고, 충분한 두께 확보로 소자의 성능 및 안정성을 향상시켰다.

SIG 기술로 제작한 태양전지는 상온 상대습도 85% 조건에서 1000시간 보관 후 초기효율 대비 97.3%의 성능을 유지하였다. 또한 실제 태양전지 구동 조건과 유사한 광 조사 환경에서 1600시간 작동 후 98%의 성능을 유지하는 장기 구동 안정성도 확보했다.

태양전지의 표준 안정성 평가 항목 중 하나인 내습-내열성 시험 (damped heat test, 온도: 85℃/상대습도: 85%)을 평가하였을 때, 초기효율 대비 95%의 성능 유지하였다. 이러한 높은 열안정성은 SIG를 통해 형성한 2D/3D 할로겐화물 이중층은 접촉면이 손상되지 않은 안정적인 계면이 형성되었기 때문이다. 이에 따라 기존 용액 기반 공정과 대비해서 우수한 열안정성을 나타낼 수 있었다. 




노준홍 고려대 교수는 “페로브스카이트 태양전지는 최근 25% 이상의 높은 효율을 보이고 있으나, 페로브스카이트 광흡수 층의 표면을 용액으로 처리하는 기존의 고효율화 방법은 효율은 높일 수 있었으나 열안정성을 확보하기 어려운 큰 문제점이 있었다. 이번 연구에서는 용액을 전혀 사용하지 않고 안정한 물성을 그대로 유지한 할로겐화물간의 접합 구현을 통해 고효율을 달성하여 열안정성 문제 해결의 방향성을 제시했다”고 그 의미를 설명했다. 



 

최만수 서울대 교수는 “글로벌 프론티어 사업단 내의 공동연구를 통해 개발한 본 기술은 페로브스카이트 태양전지의 고효율화와 안정성을 동시에 확보할 수 있는 혁신적 기술로서 새로운 신재생에너지 기술로 각광을 받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 핵심 기술이 될 수 있다는 점에서 큰 의의가 있다”고 말했다. 



 

또한 연구진은 “본 연구에서의 할로겐화물 간의 접합으로 내부에 형성되는 전기장의 설계가 가능함을 보인 점은 새로운 고효율 소자의 설계에 있어 기존의 이종물질간의 접합뿐만 아니라 할로겐화물 동종물질 간 접합의 가능성을 보여준 것에 큰 의의가 있다. 향후, 이상적 접합을 위한 할로겐화물 소재 탐색 및 소자 설계를 통해 고내구성을 갖는 고효율 소자 기술 도출이 기대된다”고 의의를 설명했다.  




 
이와 같은 연구성과는 ‘Intact 2D/3D halide junction perovskite solar cells via soild-phase in-plane growth (고체상 평면 성장을 이용한 온전한 2D/3D 할로겐화물 접합 페로브스카이트 태양전지)’로 Nature Energy지에 1월 4일자에 게재됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 중견연구자지원사업과 글로벌 프론티어 사업(멀티스케일에너지시스템연구단) 등의 지원을 받아 수행됐다.
 

[참조]  

1.  페로브스카이트 결정 구조를 갖는 할로겐화물을 광흡수층으로 사용하는 태양전지로, 페로브스카이트 태양전지로 불리며 차세대 태양전지로 최근 가장 주목을 받고 있다. 

2.  결정 구조의 공간적 형태에 따라 2차원 (2-dimensional, 2D)과 3차원 (3-dimensional, 3D)으로 구분하며, 3D 페로브스카이트 구조가 광흡수체로 주로 사용되고 있다. 

3.  이 용액 기반 기술은 3차원 할로겐화물 표면에 반응하여 2차원 할로겐화물 페로브스카이트를 형성할 수 있는 전구 물질을 용액에 녹여 3차원 표면에 도포하는 방법이다.

4.  최종 화합물을 합성하기 위한 초기 물질

5.  단일 2D와 3D로 이루어지지 않고, 2D와 3D상이 혼합되어 형성된 상

6.  분자들이 서로 끌어당기는 약한 전기력

7.  태양전지에서 전류가 흐르지 않을 때의 전압을 의미하며, 태양전지의 효율과 직접적인 연관이 있다.


연구결과 요약

Intact 2D/3D halide junction perovskite solar cell via solid-phase in-plane growth
Yeoun-Woo Jang, Seungmin Lee, Kyum Mun Yeom, Kiwan Jeong, Kwang Choi, Mansoo Choi & Jun Hong Noh(Nature energy 2020, 01, 04, on-line 게재)


1. 연구배경

최근 국제에너지기구(IEA)에서 발표한 “Renewable 2020 – Analysis and forecast to 2025”와 정부의 “2050 탄소중립 추진전략”에서도 확인할 수 있듯이, 세계의 에너지 수요량이 급진적으로 증가하고 동시에 탈탄소화에 대한 관심이 증대됨에 따라 신재생 에너지에 대한 주목도는 자연스럽게 상승하고 있다. 태양광 발전이 신재생 에너지를 주도할 것으로 예측되며, 그중에서도 가장 주목받고 있는 태양전지가 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지다.

할로겐화물 페로브스카이트 태양전지는 박막형 태양전지에서 가장 두각을 나타내고 있으며, 미국 재생에너지 연구소(NREL)에서 제공하는 최고효율차트를 기준으로 25% 이상의 효율이 보고되고 있다. 이 효율은 페로브스카이트 단일접합 태양전지의 이론적 한계효율의 80% 이상이 구현된 수치이며, 현재 상용화된 단결정 실리콘 태양전지의 최고효율의 구현율 80.9%라는 사실을 기반으로 생각해본다면 페로브스카이트 효율은 분명히 주목할 만하다.

이러한 페로브스카이트 태양전지의 고효율 기술은 최근 2차원/3차원 할로겐화물 이중층 구조를 기반으로 하고 있으며, 이러한 이중층 구조는 할로겐화물의 수분안정성과 효율을 모두 확보할 수 있는 핵심기술 중 하나다. 하지만, 기존의 2차원/3차원 이중층 구조는 용액공정을 통해 형성되어 불안정한 쿼지-2차원 페로브스카이트를 형성되어 열안정성 확보에 치명적인 문제가 존재했다.

이번 연구에서는 고체 상태의 2차원(2D) 결정구조의 할로겐화물 박막으로 부터 열과 압력을 통해 두 막들의 온전한 특성을 유지한 채 2D/3D 할로겐화물 접합을 구현하였다. 이러한 기술은 2D 막이 3D 막 상부에서 용액없이 고상으로 형성되어 성장하는 기술로서 Solid-phase In-plane Growth (SIG)라고 명명했다. SIG가 적용된 태양전지는 계면 손상이 없어서 효율 향상과 수분 안정성뿐만 아니라 열적인 안정성도 뛰어나다는 점을 제시하고 있다.


2. 연구내용

SIG 기술은 완벽한 고상인 2D 박막을 3D 박막(광흡수층)과 겹쳐 놓은 후 열과 압력을 인가하여 2차원 소재를 3차원 박막 표면에 형성시키는 것을 의미한다. 구체적으로는, 열과 압력이 인가된 초기에는 2D 박막으로부터 작은 결정핵이 3D 박막 표면에 형성되고, 이후 2D 소재는 평면 방향으로만 자라게 된다. 최종적으로 2D/3D 접합을 형성 시킬 수 있다.(그림1).
 


특징적으로, SIG를 통해 3D 박막 표면에 형성된 2D 소재는 이용된 고상 2D 박막과 완벽하게 동일한 조성의 물질이 형성되고, 그 결정성도 아주 높았다. SIG를 통해 얻어진 2D 할로겐화물은 기존 용액 공정과 다르게 계면 손상 없이 원하는 물질을 올릴 수 있을 뿐만 아니라, 기존 용액 공정에서 구현 불가능한 두께까지 구현할 수 있다. 본 연구에서 SIG로 충분히 두꺼운 수십나노미터 두께의 2D (BA)2PbI4 (butylammonium lead iodide)를 확보하였고, 이를 통해 2D/3D 접합에서 전위차(built-in potential)을 추가로 유도하였다.

SIG가 적용된 페로브스카이트 태양전지는 태양전지 효율 공식 인증기관인 Newport Co.에서 24.35%의 전력변환효율을 인증 받았다. 이러한 높은 성능뿐 아니라 SIG 태양전지는 온도 25도/상대습도 85%에서 1083시간 이후에 초기 성능대비 97.3%를 유지하는 우수한 내습성을 보였다.(그림2) 



구동 안정성 평가에서는 1620시간 동안 초기효율 대비 98% 이상의 성능을 유지하였다(그림3). 



2차원 할로겐화물이 적용된 태양전지에서 문제점으로 지적되었던 내습-내열성 평가(Damped Heat Test)에서는 1056시간 이후 초기성능 대비 95% 이상의 성능 유지가 관찰되었고(그림4) 이러한 우수한 열안정성은 SIG 공정으로 얻어진 2차원 할로겐화물과 3차원 할로겐화물의 우수한 계면 안정성에 기인한다. 




3. 기대효과

본 고려대-서울대 공동연구진은 이번 연구에서 2차원 할로겐화물을 3차원 할로겐화물 표면에 온전히 형성할 수 있는 SIG 기술을 개발했고, 이를 사용하여 24% 이상의 고성능이 구현하고 수분 안정성, 구동 안정성, 열 안정성에서 모두 우수한 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다. 

이는 2D 할로겐화물을 사용하는 고성능 태양전지에서 2D 할로겐화물과 3D 할로겐화물의 계면 특성이 안정성과 직접적으로 연관되어 있다는 방향성을 제시해준 것이다. 또한, 2차원 할로겐화물을 결함 제어를 위한 목적으로 제한하지 않고 할로겐화물 동종물질간의 접합을 통한 내부 전위차 설계의 가능성을 제시하였다는 점에서  큰 의미가 있다. 

SIG 기술은 원하는 조성의 물질의 고체 상태 유도체에 열과 압력의 인가하여 원하는 표면 위에 온전히 형성시킬 수 있을 뿐 아니라 반복적인 공정도 가능하다. 이는 SIG 공정이 롤투롤 (Roll-to-Roll) 기반의 프린팅 공정을 통해서 대형화에도 적용할 수 있다고 해석되며 상용화 기술 개발에 영향을 줄 것으로 기대한다. 




(그림1) SIG 기술의 시간에 따른 모식도




(그림2) 온도 25도/상대습도 85%에서 평가한 비교군과 SIG가 도입된 태양전지의 수분 안정성 평가

 

(그림3) SIG가 도입된 태양전지의 구동 안정성 평가



(그림4) SIG가 도입된 태양전지의 내습-내열성 평가




연구책임자 노준홍 교수 

1. 인적사항
○ 성명 : 노준홍
○ 소속 : 고려대학교 건축사회환경공학부
○ 전화 : 02-3290-4866
○ 이메일 : junhnoh@korea.ac.kr

2. 학력사항
○ 1999~2003 학사, 서울대학교 재료공학부
○ 2003~2009 박사, 서울대학교 재료공학부

3. 주요 경력사항
○ 2009~2011 박사후연구원, 서울대학교 재료공학부
○ 2011~2017 선임연구원, 한국화학연구원
○ 2017~2018 조교수, 고려대학교 건축사회환경공학부
○ 2018~현재 부교수, 고려대학교 건축사회환경공학부

4. 수상실적
○ 국가과학기술연구회 이사장 포상 (우수 신진 연구자) (2015.02)
○ 미래창조과학부장관 표창 (에너지·환경분야 및 기후변화대응 기술혁신) (2015.12)
○ 2016년도 국가연구개발 우수성과 100선 선정 ‘고효율 페로브스카이트 금속할로겐화물 태양전지 기술 개발’
○ 한국공학한림원, '2025년 대한민국을 이끌 100대 기술과 주역' 선정 (2017.12)
○ 제52회 과학의날 과학기술정보통신부장관 표창 (2019.04)
○ 한국과학기술한림원, 제23회 젊은 과학자상 수상 (2019.12)
○ Clarivate Analytics, '2018/2019/2020 Highly Cited Researcher' 선정 


핵심참여 연구진[제1저자, 공동제1저자, 공동교신저자]



 제1저자 장연우
○ 서울대학교 학사, 재료공학부 (2012~2016)
○ 서울대학교 박사 과정, 기계공학부 (2017~현재)



 공동제1저자 이승민
○ 숭실대학교 학사, 물리학과 (2009~2017)
○ 고려대학교 석박통합과정, 건축사회환경공학부 (2018-현재)




 공동교신저자
○ 서울대학교 학사, 기계공학과 (1980)
○ 서울대학교 석사, 기계공학과 (1981~1982)
○ University of California, Kerkeley 박사, 기계공학과 (1983~1987)
○ Argonne National Laboratory, Assistant Mechanical Engineer (1988~1991)
○ 서울대학교 기계항공공학부, 교수 (1991~현재)
○ 창의적 연구진흥사업 나노입자제어기술연구단, 연구단장 (1997~2011)
○ 서울대학교, 교무부학장 (2009~2011)
○ (재)글로벌 프론티어 멀티스케일에너지시스템연구단, 연구단장 (2011~현재)


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