한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 진성호 교수(부산대)․노용영 교수(동국대) 등 공동연구팀이 태양전지의 광전환 효율과 수명을 높일 수 있는 새로운 계면제어 물질^*을 개발하였다고 밝혔다.  

       

페로브스카이트 및 유기 태양전지는 태양빛을 받아 자유전자(-)와 홀(+)을 생성하고 이들이 각각 전자전달체^**와 홀 전도체^***를 통해 전극으로 이동하여 전기를 생산하는 소자이다. 특히 페로브스카이트 태양전지는 내부에서 발생하는 전자와 홀의 이동속도 차이가 크기 때문에 히스테리시스^****가 발생하여 효율이 급격히 감소한다.  

       

연구팀은 이 문제점을 해결하기 위해 저온공정(<150℃)이 가능한 산화아연(ZnO)^***** 전자 전달체 위에 트리아진 분자^******와 포스핀 옥사이드^*******를 결합한 새로운 계면조절제어물질을 대기 중에서 박막코팅을 실시하였다. 그 결과, 산화아연(ZnO)의 전자이동도가 약 2배 증가하였다. 특히 페로브스카이트 태양전지에서 효율 감소의 원인인 히스테리시스가 없고, 광활성층과 산화아연층 사이에 계면제어 물질을 도입하여 수분과 산소를 차단할 수 있어 소자의 수명이 대략 1.5배 이상 우수하게 나타났다. 

        

이 연구에서 개발된 계면제어물질을 연구팀은 PO-TAZ(피오타즈)라고 명명했다. 피오타즈는 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드 분자 간 결합을 잘하기 위해 매개체인 다이플로로 벤젠 그룹을 도입하였다. 특히 계면제어물질은 간단한 공정을 통해서 고품질의 필름을 형성할 수 있으며, 전자이동도를 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다고 연구팀은 밝혔다. 

계면 제어물질을 사용하여 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과, 광전환 효율이 13.6%에서 16.23%로 향상되었으며, 히스테리시스가 존재하지 않는 전류-전압 곡선을 얻었다. 또한 소자의 수명도 40일이 지나더라도 초기 효율 대비 85% 이상을 보여주었다. 또한 유기태양전지에서도 광전환 효율이 8.55%에서 10.04%로 향상되었다.  

진성호 교수는 “이번 연구는 비교적 저렴하면서도 간단한 공정으로 히스테리시스가 없는 장수명 페로브스카이트 및 유기 태양전지를 개발한 것이다. 향후 차세대 태양전지 및 유기발광다이오드, 유기박막트랜지스터 등 다양한 유기전자 소자들의 특성 향상 및 수명 향상에 기여 할 수 있을 것” 이라고 연구의 의의를 설명했다.  

이 연구성과는 에너지/환경 분야 권위 있는 국제 학술지인 ‘에너지 앤 인바이런멘탈 사이언스(Energy & Environmental Science)’ 5월 30일자에 게재되었다. 

 o 논문명, 저자정보 

   - 논문명 : Simple molecular structure and efficient triazine-based interfacial layer for high performance organic electronics 

   - 저자 정보 : 진성호 교수(교신저자, 부산대), 송명관 박사(교신저자, 재료연구소), 노용영 교수(교신저자, 동국대), 낼란 차크라바티 연구원(제 1저자, 부산대), 쿠마라사미 구나세카 연구원(공동 제 1저자, 부산대), 조우섬 연구원(공저자, 부산대), 당 수안 롱 (공저자, 동국대), 김윤희 교수(공저자, 경상대), 송창은(공저자, 한국화학연구원), 이종철(공저자, 한국화학연구원), 안토니오 파체티(공저자, 폴리에라)   

 논문의 주요 내용은 다음과 같다.

기존 실리콘 태양전지는 공정비용과 발전 단가가 높아 기존 전력원을 대체하는 데에 한계가 있다. 때문에 최근 저가격으로 제작이 쉬우며 실리콘 못지 않은 효율을 보이는 페로브스카이트 태양전지가 각광을 받고 있다. 하지만 페로브스카이트는 내부에서 발생하는 전자와 홀의 이동속도가 달라서 히스테리시스^*가 발생하여 효율이 급격히 저하되는 문제가 있다. 

        

계면제어 물질은 페로브스카이트와 유기태양전지에서 빛을 받아 형성된 전자(-) 및 정공(+)결합 쌍이 분리 되었을 때 전자(-)를 전극으로 빠르게 이동시켜 주는 역할을 하며, 광활성층을 수분과 산소를 막아줄 수 있어 소자의 안정성을 향상 시킬 수 있다. 

 

연구팀은 값이 싼 트리아진, 다이플로로 벤젠과 포스핀 옥사이드를 결합시켜서 친환경 용매에 잘 녹으며 반응 공정이 용이하며 대량 생산이 가능한 계면 조절 물질을 합성하였다. 

 

 개발된 새로운 계면 제어 물질을 사용하여 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과, 에너지 변환 효율^*이 13.6%에서 16.23% 수준으로 향상되었고, 유기태양전지는 8.55%에서 10.04%로 효율이 향상되었다. 또한 수명 측면에서도 계면제어물질을 사용하지 않은 소자 대비 1.5배 우수한 것으로 나타났다. 

        

 

이 연구에서 개발한 새로운 계면 조절 물질은 페로브스카이트, 유기태양전지 및 트랜지스터 등 다양한 유기전자 소자의 수명 및 효율을 획기적으로 향상시킬 것으로 기대된다. 

계면 제어 물질은 기존 공정 및 생산단가를 혁신적으로 낮출 수 있으며 향상된 효율 및 내구성을 지니는 차세대 유기 전자 소자를 생산할 수 있어 상용화에 한 발짝 다가 설 수 있다.   

차세대 태양전지, 유기발광다이오드, 조명과 디스플레이용 저전력, 플렉서블 유기 기반 광전소자 개발의 필요성이 급증하는 가운데 개발된 계면제어물질을 이용하여 손쉬운 공정으로  대면적화 및 롤투롤 공정이 가능할 것이다.  

 

페로브스카이트는 태양전지 산업 역사에서 적절한 시기에 급속 등장하였다. 태양광이 풍부하고 전기가 고가인 지역에서 태양전지에 의한 전기생산은 기존 전기 자원에 비해 가격-경쟁력이 있다. 그러나 아직 태양전지의 제조/설치 비용을 낮추고 변환 효율을 개선하여 설치 패널 수를 줄일 필요가 있다. 

오늘날 제조되는 대부분의 결정질 실리콘 태양전지는 대략 150마이크로미터(um) 두께의 웨이퍼로 만들어지고 변환효율은 대략 17~25%이다. 연구자들은 수십년 간 유리, 금속 또는 플라스틱과 같은 가격경쟁력 있는 박막 기판 상에 수 um 두께의 박막 반도체를 증착시켜 결정질 실리콘을 대체할 수 있는 고효율의 저가 재료 개발을 시도하였다. 수천 재료 중 카드뮴 텔루라이드(CdTe), 구리인듐갈륨셀레나이드 (CIGS), 페로브스카이트(CH₃NH₃Pb_I3) 등의 수 개만이 15~23%의 변환효율을 보일 수 있었다.

2009년 분자식 메틸암모니움 레드 할라이드 (CH₃NH₃)PbX₃)의 유기금속 할로겐화합물인 페로브스카이트 반도체가 태양전지에 처음 연구되기 시작하였다. X는 요오드, 브롬, 또는 염소가 될 수 있다. 이후 페로브스카이트계 태양전지의 성능은 급상승 하였다. 최근에는 20% 이상의 높은 고효율이 보고되고 있다. 하지만 기존의 소자는 수분 및 공기에 노출되면 소자의 효율이 급격히 떨어지는 단점이 있다. 따라서 새로운 소재 개발 혹은 저온 용액공정을 이용한 새로운 소자개발이 필요한 상황이다. 

이 연구는 기존 계면제어 물질 구조와 차별성을 가지는 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드 분자를 결합시키기 위해 매개체인 다이플로로 벤젠그룹을 도입하여 친환경 용매에 용해도를 증가시켰고 간단한 합성공정으로 계면조절 물질을 합성하였다. 전하 수송층인 산화아연(ZnO) 박막은 대략 전하 이동도가 6.55×10-5cm²/vs 이고, ZnO 박막에 계면조절 물질을 처리한 결과 전하이동도는 대략 1.32×10-4cm²/vs 로 약 2배의 우수한 전하 이동 특성을 보였다. (그림 1) 

 

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질 자체의 강유전성 및 이온 전도체의 성질로 인해 태양전지 효율 측정 시 히스테리시스가 발생하는 것으로 보고하고 있으며, 히스테리시스를 없애기 위해 다공성의 이산화티타늄층이 필요한 것으로 보고하고 있다. 하지만 산화아연(ZnO)처럼 평면(Planar) 구조에서 계면제어 물질을 처리한 결과 히스테리시스가 거의 존재 하지 않는 전류-전압 특성을 구현하였다. 계면제어를 처리하지 않은 페로브스카이트 태양전지 에너지 변환효율은 13.6%인 반면, 처리한 결과 에너지 변환 효율이 16.2%로 향상되었다. 이는 계면제어 물질 처리 후 향상된 전하 이동도와 고품질의 페로브스카이트 필름을 얻을 수 있었기 때문이다.(그림 2) 

유기태양전지에서 전하수송층 ZnO를 사용할 경우 에너지 변환효율이 약 8.5%를 보였으며, 계면 제어물질과 ZnO를 같이 사용할 경우 에너지 변환 효율은 10.04%를 보였다. 또한 계면제어 물질을 사용하여 트랜지스터를 제작한 결과 기존의 CsF보다 소자 내구성 및 전하 이동도가 확연히 향상 될 수 있다는 것을 확인하였다. (그림 3)  

이 연구를 통해서 증명된 계면조절 물질은 저가 및 용이한 합성공정과 우수한 전하 수송특성 및 소자의 내구성을 향상 시킬 수 있다. 뿐만 아니라 OLED 조명, 트랜지스터, 디스플레이 등 다양한 유기 전자 소자들의 특성 향상과 소자의 수명향상을 위해 응용 될 수 있을 것으로 사료된다. 

페로브스카이트 및 유기태양전지에서의 계면제어물질은 본 연구실에서 수년간 개발해온 인광물질 및 인광 호스트를 개발한 경험으로 전하이동도 및 내화학성이 우수한 구조를 가진다는 것을 알았고 대기 중에 안정한 포스핀 옥사이드와 저가의 트리아진 기반으로 합성해보고자 하였다. 

최근 계면조절 물질을 사용하여 페로브스카이트 및 유기태양전지의 특성들을 향상 시킬 수 있다는 문헌들이 많이 보고 되어져왔다. 하지만 이러한 특성들이 왜 잘 나오는가에 대한 명확한 메커니즘을 설명되지 않았다. 따라서 이러한 명확한 분석을 하기 위해 본 연구실에서 새롭게 디자인한 계면조절 물질을 성공적으로 합성하였다. 그리고 이러한 물질을 각 분야의 많은 전문가와의 의견을 교류하며 지속적인 미팅을 통해서 다양한 소자에 적용을 하였다. 페로브스카이트 태양전지 제작은 재료연구소 그리고 유기태양전지 제작은 부산대학교, 재료연구소, 한국화학연구원에서 검증을 시행하였으며, 트랜지스터 제작은 동국대학교에서 검증을 하였다. 각 기관에서의 확보된 연구결과를 가지고 정기적인 미팅 및 활발한 토의가 이루어졌으며 마침내 좋은 연구결과를 얻을 수 있었다. 

계면 조절물질 개발연구는 해외에서는 활발히 연구개발이 진행되고 있었으나, 국내에서는 몇몇 소수 그룹에서만 연구개발이 진행되고 있다. 합성 노하우 및 분자 설계에 대한 명확한 이론이 없었기에 개발된 계면조절 물질에 대한 특성분석은 쉽게 이루어졌으나 과연 태양전지에 응용이 가능한지 의문이 들었다. 다행히도 전자 재료개발에 대한 부산대학교의 축적된 연구능력과 재료연구소 및 한국화학연구원 그리고 동국대학교에서 다년간의 노하우를 바탕으로 태양전지 및 트랜지스터 제작을 쉽고 빠르게 최적화를 진행할 수 있었다.

이번에 개발된 계면조절 물질은 낮은 단가 및 대량 양산공정에 상당히 유리하며, 소재의 내구성 및 전하 수송능력이 향상되었기에 다양한 태양전지 및 트랜지스터, 유기 디스플레이 등 다양한 유기전자 소자 분야에 적용가능하리라 본다. 

저는 기능성 고분자 및 전자재료를 합성하는 연구자로서 차후 상용화될 수 있고 누구나 쉽게 생산할수 있는 원천소재개발에 대한 목표를 두고 있으며, 다양한 유기전자 소자에 응용해보고 싶습니다. 또한 젊은 연구자 및 다양한 분야의 전무가들과 활발한 교류 및 교감할 수 있는 깨어있는 연구자가 되고 싶습니다. 

최초 논문 투고에서 한 심사위원이 현상의 원인에 대한 분석과 소자 특성 향상 분석이 부족하다는 평가를 받았다. 이에 예전 참고문헌을 대략 50편 이상 읽었으며 추가분석을 명확하게 한 결과 마침내 게재승인을 받을 수 있었다. 

 

(Energy & Environmental Science)는 에너지 및 환경분야중 최상의 학술지중 하나로 2008 년부터 온라인 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수 (impact factor 20.523)를 가지고 있다. 

  

사면체, 팔면체 또는 입방체의 결정구조를 가지는 물질로 구성 원자에 따라 부도체·반도체·도체의 성질 및 초전도 현상까지 보이는 금속 산화물

태양전지의 효율을 측정하기 위해서는 인공태양광을 조사하는 솔라시뮬레이터(solar simulator)를 사용하여 –0.5V에서 1V의 방향으로 전압을 가하면서 생성되는 전류를 측정 (forward scan) 하거나 반대로 1V에서 -0.5V의 방향으로 전압을 줄이면서 전류를 측정 (reverse scan)하여 전류-전압특성을 측정하는데, 이 2가지 측정법에 따른 결과가 차이가 날 경우 히스테리시스가 있다고 명명함. 

페로브스카이트 및 유기태양전지에서 광활성층과 전극 사이에서 전자들의 이동을 제어하는 물질 

페로브스카이트 및 유기 태양전지에서 (-)전하를 수송하는 물질 

페로브스카이트 및 유기 태양전지에서 (+)전하를 수송하는 물질  

   

유기태양전지 및 페로브스카이트 태양전지에서 전자전달체로 사용하는 물질

   

고리 안에 세 개의 질소원자를 가진 불포화 6원자 복소고리 화합물 

 

 청색인광호스트 및 전자를 당겨주는 물질  

       이 연구에서 합성되어진 계면제어 물질 구조는 그림 1(a)이다. 전하 수송 특성을 측정하기 위해 전자특성(Electron-only) 소자 구조 (그림 1(b))를 만든 결과, 산화아연(ZnO)를 사용한 소자보다 산화아연(ZnO)와 계면제어물질을 처리한 결과 약 2배 우수한 성능을 보였다 (그림 1(C)).

                

       그림 2(a) 는 페로브스카이트 태양전지의 단면을 나타내었다. 그림 2(b)와 2(c) 는 전류밀도-전압 (I-V) 특성 그래프이며, 포워딩( 0V에서 1V) 및 리버스 (1V에서 0V) 스캔 방향에서 히스테리시시가 거의 없는 특성을 보였다. 페로브스카이트 층에서 생긴 홀과 전자들의 전하 균형이 좋아졌다는 것을 나타낸다.  

     (그림3) 유기태양전지 및 트랜지스터 특성평가 

       그림 3(a) 는 유기 태양전지의 단면을 보여준다. 그림 3(b) 는 전류밀도-전압 (I-V) 특성 그래프를 나타낸다. ZnO와 계면 조절 물질을 사용한 결과 기존 ZnO를 사용했을 때보다 특성이 향상되었다. 그림 3(c) 는 기존 계면 조절물질인 CsF와 비교를 하였으며, 약 5일 후에도 전하 이동 특성은 좋았으며 그림 3(d)는 일정한 전압을 가한 상태에서 CsF와 전하 이동 특성을 비교하였다. 대략 50회 반복을 하더라도 전하 이동 특성 역시 우수하였다.