한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 기후변화대응기술개발사업, 신산업창조프로젝트 사업의 지원을 받은 이광희 교수 연구팀(광주과학기술원)이 전압을 높이고 가시광선에서부터 적외선까지 넓게 빛을 흡수할 수 있는 고효율의 신규 하이브리드 태양전지^*를 개발했다고 밝혔다.  

태양빛은 자외선(7%), 가시광선(44%), 적외선(48%)으로 구성되어 있다. 현재 미래 에너지원으로 각광 받고 있는 페로브스카이트 태양전지^**는 주로 가시광선 영역에서 에너지를 생성한다. 유기태양전지^***는 개방 전압이 낮고, 전하 이동도가 낮아 성능 향상에 제약이 있다. 

 

연구팀은 이러한 기존 차세대 태양전지의 한계점을 극복하기 위하여 높은 개방전압^****을 갖는 페로브스카이트 광활성층과 적외선 흡광영역을 갖는 유기 고분자 광활성층^*****을 중간 결합층 없이 쌓아 결합한 신규 하이브리드 소자를 개발하였다. 또한 유기 광활성층 내부에 높은 전하 이동도를 갖는 N형 고분자^******와 새로운 용매 첨가제를 함께 도입함으로써 하이브리드 소자의 성능을 최적화하였다. 그 결과, 학계에 보고된 페로브스카이트/유기태양전지 하이브리드 태양전지 중 가장 높은 16.4% 효율의 하이브리드 태양전지를 구현하였다. 

가시광선에서부터 적외선 영역에 이르는 넓은 태양광을 효과적으로 이용할 수 있게 개발됨으로써 하이브리드 태양전지가 차세대 박막형 태양전지의 효율 이론 한계치를 극복할 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있게 되었다. 

이광희 교수는 “이번 연구 성과는 페로브스카이트와 유기 광활성층을 결합하여 높은 개방 전압과 넓은 흡광 영역을 동시에 갖는 태양전지 개발을 최초로 보고한 것이다. 미래사회 에너지난을 해결하기 위한 태양에너지 기술을 한 단계 앞당길 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.  

이 연구결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)' 4월 27일자에 게재되었다.  

□ 논문명, 저자정보 

   - 논문명 : High-Performance Integrated Perovskite and Organic Solar Cells with Enhanced Fill Factors and Near-Infrared Harvesting

   - 저자 정보 : 이광희 교수(교신저자, 광주과학기술원), 김정환 박사(제 1저자, 광주과학기술원) 

□ 논문의 주요 내용 

   

페로브스카이트 태양전지는 우수한 전기적 특성으로 인해 높은 성능을 갖는 태양전지로 최근 가장 각광 받는 차세대 태양전지이다. 

 

하지만 가시광선 영역에 제한된 흡광 영역은 보다 높은 성능을 가로막아 관련 분야의 상용화 및 경쟁력 확보에 큰 걸림돌로 작용해왔다. 

 

그 동안 전 세계적으로 많은 연구진들이 이 문제를 해결하기 위하여 적외선 영역의 흡광 영역을 갖는 새로운 페로브스카이트 물질들을 개발해 왔다. 그러나 성능은 오히려 기존 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 한계점을 갖고 있어 효과적인 해결책이 절실히 요구되는 상황이다.

  

기존 유·무기 페로브스카이트 태양전지가 갖는 최대 난제인 제한된 흡광 영역을 획기적으로 극복할 수 있는 고효율의 신규 하이브리드 태양전지를 개발하였다. 

  

가시광선의 흡광영역을 갖는 페로브스카이트 광활성층 위에 적외선 흡광영역을 갖는 유기 광활성층을 중간 계면 층의 도입 없이 적층하여 가시광선에서부터 적외선 영역까지 넓은 흡광영역을 갖는 하이브리드 태양전지를 개발하였다.  

 

특히 하이브리드 태양전지의 효율 손실을 최소화하기 위하여 유기 광활성층 내부에 높은 전하 이동도를 갖는 N형 고분자와 새로운 용매 첨가제를 함께 도입함으로써 전하 생성 효율 및 이동 특성을 최적화하였다. 현재까지 학계에 보고된 하이브리드 태양전지 중 가장 높은 효율인 16.4%를 나타냈다. 

페로브스카이트 태양전지가 갖는 본래의 높은 개방전압^*과 전하 수집 능력을 감소하지 않으면서 흡광 영역을 적외선까지 넓힐 수 있다는 점을 최초로 보인 연구 결과이다. 

         

또한 이를 통하여 페로브스카이트 태양전지의 이론 효율 한계치를 극복할 수 있는 가능성을 제시하였을 뿐만 아니라 상용화를 앞당기는 데에도 크게 기여할 것으로 기대된다.  

 

인류의 지속가능한 성장을 위하여 친환경 에너지원에 대한 필요성이 대두됨에 따라 태양전지 분야는 미래 에너지원으로서 큰 주목을 받고 있다. 그 중에서도 3세대 태양전지는 높은 광흡수도(absorption coefficient) 및 손쉬운 공정으로 인하여 최근 가장 각광받고 있는 분야이다. 이러한 3세대 태양전지의 가장 대표주자인 유기태양전지는 용액 공정을 통한 인쇄 공정이 가능하여 제조 원가 절감 및 대면적화가 용이할 뿐만 아니라 유연하고 가벼워 차세대 저가형 신재생 에너지원으로써 휴대용 전자기기, 군사 에너지원, 건물일체형 에너지원 등을 위한 유비쿼터스 에너지원으로 각광받고 있다. 

이러한 장점으로 인하여 유기태양전지는 그 동안 많은 연구가 진행되어 왔다. 현재 유기태양전지는 단일 효율 11%를 달성하였으며, 가시광선에서 적외선에 이르기까지 다양한 흡광 영역을 가지는 물질도 개발되었다. 그러나 근본적으로 고분자가 가지는 낮은 전하 이동도로 인해 여전히 효율 증대에 많은 제약을 받고 있어 차세대 태양전지로서 상용화에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 

최근에는 유·무기 하이브리드 페로브스카이트가 우수한 전기적·광학적 특성을 바탕으로 불과 5여년 사이에 가파른 성장을 보이고 있다. 이 페로브스카이트는 유기태양전지와 유사하게 높은 광흡수도를 가지고 있을 뿐만 아니라 간단한 용액 공정을 통해서도 높은 결정성을 가지는 박막 형성이 가능하고, 높은 전하 이동도와 매우 낮은 엑시톤 결합 에너지(exciton binding energy)^* 등의 우수한 특성을 가지고 있다.  

      

* 엑시톤 결합 에너지: 반도체에서 생성된 전자-정공이 정전기적 인력으로 결합된 준입자를 엑시톤 이라고 하는데, 이때, 전자-정공의 정전기적 인력을 결합 에너지라고 한다. 

그러나 현재까지 개발된 고성능의 페로브스카이트는 대부분 가시광선 영역의 흡광 능력만을 가지고 있어 적외선 영역에 해당하는 태양빛의 상당한 부분은 이용하지 못하고 있는 실정이다. 따라서 현재의 페로브스카이트 태양전지의 성능을 향상시켜 이론적인 최고 성능을 구현하고 경제적 가치를 증대시키기 위해서는 보다 넓은 흡광영역의 빛을 이용할 필요가 있다. 

연구팀은 이 연구를 통하여 크게 두 가지 문제점을 해결하였다. 첫째, 기존 페로브스카이트 태양전지가 갖고 있는 가시광선에 제한된 흡광 영역을 적외선 흡수를 갖는 유기태양전지 광활성층을 도입함으로써 가시광선에서 적외선 영역까지 넓은 흡수 영역을 갖는 신규 하이브리드 태양전지를 개발하였다. 

이 신규 소자는 적외선 영역에서 흡수를 가지는 유기태양전지와 가시광선 영역에서 우수한 흡수를 가지는 페로브스카이트 태양전지를 결합한 것이다. 기존의 직렬 또는 병렬형 적층(tandem) 소자와 달리 두 광활성층 사이에 중간층이 존재하지 않아 공정을 간소화할 수 있을 뿐만 아니라, 전류 맞춤(current matching)^*이나 전압 맞춤(voltage matching)^*이 요구되지 않는 장점을 가진다.  

        

       

둘째, 적외선까지 흡수할 수 있는 유기 광활성층을 도입함으로써 흡광 영역은 효과적으로 넓힐 수 있었다. 그러나 유기층이 갖고 있는 낮은 전하이동도로 인하여 기존의 페로브스카이트 태양전지 혼자 갖고 있는 성능보다 하이브리드 소자의 성능이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 

 

이를 해결하기 위하여 연구팀은 유기 광활성층 내부에 높은 전하 이동도를 갖는 N형 고분자와 새로운 용매 첨가제를 함께 도입함으로써 유기 광활성층의 전하 이동도를 획기적으로 증대시킬 수 있었다. 또한 이를 통하여 하이브리드 소자의 에너지 손실을 최소화하여 기존 페로브스카이트 태양전지의 성능을 훨씬 웃도는 성능 증대 효과를 얻을 수 있었다. 

  

기존 페로브스카이트 태양전지가 갖고 있던 제한된 흡광 영역을 획기적으로 극복할 수 있는 핵심 원천 기술을 제시함으로써 향후 다양한 신규 유기 광활성층과 페로브스카이트의 개발을 통하여 하이브리드 태양전지의 성능이 극대화 되고, 미래 에너지원으로서 차세대 하이브리드 태양전지의 상용화가 앞당겨질 것으로 기대된다. 

 

이번 연구는 유기태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 연구하는 연구자들에게 기존 방식을 뛰어넘어 새로운 연구방향을 제시할 것으로 기대된다.

 더 나아가 이번 연구 결과는 기존의 실리콘 태양전지, CIGS 태양전지 등 다른 박막형 태양전지의 성능을 더 증대시키는 데에도 중요한 방향을 제시할 것이다. 

 

 

오랜 기간 동안 유기태양전지에 대한 연구를 수행해 오던 중 우수한 전기적 특성을 갖는 페로브스카이트 물질의 매력에 매료되어 페로브스카이트 태양전지 개발에 대한 연구를 시작하게 되었습니다. 그리고 현재 페로브스카이트 태양전지에서 제한된 흡광 영역을 해결하는 것이 중요한 과제임을 알게 되었고, 그 동안의 축적된 유기태양전지에 대한 연구 경험을 바탕으로 페로브스카트 태양전지와 접목할 수 있는 신규 하이브리드 태양전지에 대한 아이디어를 내고 성공적으로 실현을 시킬 수 있었습니다.  

이번 연구는 페로브스카이트 태양전지와 유기태양전지 두 분야에 대한 깊은 이해와 연구 능력이 갖추어져야 가능한 것입니다. 유기태양전지는 그 동안 계속해서 연구를 진행해 왔기 때문에 충분한 자신감이 있었지만, 페로브스카이트는 시작한 지 얼마 되지 않아 많은 시행착오를 겪었습니다. 다행히 우리 연구팀에 김정환 박사는 유기태양전지 연구 경험을 바탕으로 빠른 시간 내에 세계적인 페로브스카이트 태양전지 제작 기술을 확보하게 되었고, 그 노력으로 이번에 좋은 성과를 내게 된 것 같습니다.  

이번 연구의 핵심은 기존 페로브스카이트 태양전지에 적외선 영역의 태양빛을 흡수하는 유기태양전지 광활성층을 도입하여, 새로운 구조의 태양전지를 만드는 것이었습니다. 하지만 전기적 특성이 뛰어난 페로브스카이트와 달리 유기태양전지는 전하 이동도가 낮아 두 광활성층을 결합함으로써, 원래 페로브스카이트의 성능보다 낮은 결과를 얻게 되어 초반에 어려움을 많이 겪었습니다. 많은 시행착오와 노력 끝에 김정환 박사가 전자 이동도가 높은 고분자와 새로운 첨가제 용매를 유기태양전지층에 도입하여, 유기태양전지 광활성층의 전자 이동도를 획기적으로 증대 시킬 수 있었습니다. 이를 바탕으로 하이브리드 태양전지의 성능 또한 성공적으로 증대시킬 수 있었습니다.

현재 많은 연구자들은 유기태양전지면 유기태양전지, 페로브스카이트 태양전지면 페로브스카이트 태양전지라는 이분법식 방법으로 서로 정해진 틀 안에서만 연구를 하는 경향들이 있습니다. 저는 이번 우리팀의 연구결과가 기존의 고정관념을 깨고, 새로운 연구 방향을 제시했다는 데 큰 의의가 있다고 생각합니다. 또한 이러한 방법을 통하여 기존 박막형 태양전지가 갖는 흡수 한계를 극복할 수 있는 효과적인 방법을 제시했다는 점에서 이전의 연구 결과들과 차별성이 있다고 생각됩니다.

저의 꿈은 차세대 친환경 에너지원을 성공적으로 개발하여 전 세계적으로 안고 있는 에너지, 환경 문제를 해결하는 것입니다. 결국 이 꿈을 이루기 위해서 유기태양전지, 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 이 둘이 결합된 새로운 구조의 하이브리드 태양전지를 바탕으로 계속해서 연구를 해나갈 계획입니다. 

페로브스카이트 물질로 사용되어지는 PbI2 물질이 제조사에서 품절이 되어 한동안 실험을 하지 못한 일도 있었습니다. 그만큼 현재 전 세계적으로 페로브스카이트 태양전지에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다는 반증이기도 하겠지요. 

독일 Wiley-VCH 출판사에 의해 발행되는 재료과학 분야의 세계적 권위지 (영향력 지수: 2015년 17.493). 전 세계 물리, 화학 분야 (Chemistry, Physical) 학술지 중 상위 2% 이내(2위/139개)에 해당한다.  

유기, 무기 분자의 복합체로 이루어진 재료로서, 대표적인 구조는 CH3NH3PbI3 가 있다. 유기용매에 대한 용해도가 좋아, 용액 공정으로 박막 형성이 가능할 뿐만 아니라, 높은 결정성을 가져 흡광도, 전하 이동도 등 광학적, 전기적 특성이 매우 우수하여, 차세대 반도체 물질로서 각광받고 있다.

 

태양전지의 광활성층이 빛을 흡수하여, 전하를 생성할 수 있는 영역

External quantum efficiency, 태양 전지에 조사된 빛의 입자 수에 대하여 실제로 전기로 생성되는 전하 수의 비율로 각 파장대별로 그 비율을 측정하여 나타낸다.

       <그림 1> 신규 하이브리드 태양전지 개념도 및 작동 원리

        a) 적외선을 흡수하는 유기태양전지 광활성층과 가시광선을 흡수하는 페로브스카이트 층이 결합된 신규 하이브리드 태양전지의 구조  b) 페로브스카이트와 적외선 흡광 고분자의 흡수 측정 결과 c) 하이브리드 태양전지에서 가시광선을 흡수한 페로브스카이트(보라색)가 전하를 생성하는 과정 및  d) 적외선을 흡수한 유기 광활성층(녹색)이 전하를 생성하는 과정 

        <그림 2> 기존 페로브스카이트 태양전지(검정색)와 신규 하이브리드 태양전지(적색)의 a) 전류-전압 측정 곡선 및 b) 외부양자효율(External quantum efficiency) 측정 결과 

        외부양자효율 측정을 통하여 신규 하이브리드 태양전지가 기존 페로브스카이트 태양전지보다 넓은 흡광 영역을 가지는 것을 확인할 수 있음.