차세대 태양전지 성능 높이는 고분자 신물질 합성 성공

연구성과

차세대 태양전지 성능 높이는 고분자 신물질 합성 성공

2015-07-16 813

‘페로브스카이트’ 효율 14.1% 달성…타 전자소자에도 응용 가능

태양광 산업의 경쟁력은 태양전지의 광전환 효율^*1에 달려 있다고 해도 과언이 아니다. 고순도 실리콘을 생산하기 위한 공정단가가 만만치 않아 보편적인 에너지원으로 태양전지를 사용하기 위해서는 기존 화석연료와 경쟁할 수 있는 ‘초저가 고효율 태양전지’ 소재 개발이 시급하다. 전 세계 산업계가 태양전지 효율을 끌어올리기 위해 광발전 연구 분야에서 각광을 받고 있는 페로브스카이트(Perovskite)^*2와 같은 신소재 공정에 투자를 아끼지 않는 까닭은 이 때문이다.

POSTECH이 페로브스카이트 기반 태양전지를 설계할 때 사용되는 저분자 스파이로(Spiro-MeOTAD)^*3 물질을 대체할 수 있는 고효율 고분자 정공^*4 전달 물질을 합성하는데 성공했다.

화학공학과 박태호 교수, 통합과정 김관우 씨 연구팀은 재료과학분야 권위지 ‘어드밴스드에너지머터리얼스(Advanced Energy Materials)’를 통해 새로 합성한 고분자 정공전달 물질(명칭: TTB-TTQ)로 페로브스카이트 태양전지의 효율을 14.1%까지 끌어올리는 기술을 개발했다.

기존에 널리 사용되던 스파이로 물질은 저분자 구조로 제작 단가가 높고 공정이 복잡해 태양전지에 코팅이 손쉬운 고분자 물질이 필요했다. 이번에 POSTECH 연구팀이 합성한 신 물질은 에너지 준위 조절이 가능하고 가공이 용이하도록 하는데 초점을 맞춰 설계, 합성했다. 연구팀은 첨가제를 이용하면 물질의 표면 상태가 섬유형태로 거칠게 변하는데, 이로 인해 전하가 효율적으로 이동할 수 있게 된다는 사실을 밝혀냈다. 새 고분자 물질을 사용한 페로브스카이트 태양전지의 효율은 14.1%에 달하는데, 이는 지금까지 학계에 보고된 고분자 정공 전달물질 중 최고 수준이다.

특히 이번 연구는 앞으로 다양한 정공 전달물질을 합성하기 위한 새로운 방법을 제시했다는 점에서 큰 의미가 있다. 태양 전지 뿐만 아니라 다른 광전자공학(光電子工學, Optoelectronics) 전자소자에도 적합한 전도성 고분자를 만들 때에도 이를 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 주도한 박태호 교수는 “페로브스카이트 태양 전지의 효율을 극대화하기 위해 고분자 정공 전달 물질을 합성할 수 있는 방법을 제시했다는데 의미가 있다”며 “향후 고효율 태양전지나 유연한 전자기기 등을 상용화 할 수 있는 기술 기반이 될 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단과 미래창조과학부 글로벌 프런티어 사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스 연구단’의 지원을 받아 진행됐다.

1. 광전환 효율(Photoconversion efficiency)

태양전지에 빛을 비추면 내부에서 전자와 정공이 발생하는데 발생된 전하들은 P, N극으로 이동하며 이 현상에 의해 P극과 N극 사이에 전위차(광기전력)가 발생하며 이때, 태양전지에 부하를 연결하면 전류가 흐른다. 이를 광전효과라 한다. 광전환 효율은 광전효과를 통해 태양에너지를 전기에너지로 바꾸는 효과의 정도를 뜻한다.

2. 페로브스카이트(Perovskite)

부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특이한 구조의 결정구조 물질. 탄소 등 유기물, 납 등의 금속, 요오드화물이나 염화물 같은 할로겐화물로 이루어진 유기․무기 하이브리드 형이다. 에너지 변환효율이 높아 최근 학계에서 가장 주목하고 있다. 실용화를 위한 과제가 남았지만 제작 방식이 비교적 간단하고 생산 원가가 낮아 태양전지 시장에서 새로운 전기를 마련할 것으로 예상된다. 페로브스카이트를 이용한 태양전지 제작 기술은 한국이 세계적으로 가장 앞서 있다는 평가를 받는다.

3. 스파이로(Spiro)

가장 많이 사용되는 정공 전도체로, 현재 페로브스카이트 태양전지가 비싼 주요 원인 중 하나

4. 정공(正孔, hole)

반도체의 결정에서 자유전자(가전자)가 빠져나간 빈 상태의 구멍. 양의 전하와 양의 질량을 가진 입자처럼 행세하여 전기 전도의 캐리어가 된다.