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'산화맥신'으로 무기페로브스카이트 태양전지 내구성과 효율성 두 마리 토끼를 모두 잡아

-고내구성 태양전지, 초고효율 탠덤 태양전지, 그린수소 생산 등 

페로브스카이트 태양전지 상용화 및 2050 탄소중립사회 실현에 기여-

                                ▲ (왼쪽) 고려대학교 화공생명공학과 임상혁 교수/   (오른쪽) 허진혁 연구교수

  고려대학교 화공생명공학과 임상혁 교수, 허진혁 연구교수 및 미국 국립재생에너지 연구소 (NREL) Kai Zhu 박사 연구팀은 2차원 산화 MXene/페로브스카이트 복합층을 형성하여 19.69 % 세계 최고 효율 및 내구성을 갖는 역구조의 무기페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 이 연구는 세계적인 국제학술지인 ‘Joule (IF = 41.248)' 6월 14일 자 온라인 논문으로 게재되었다.

* 논문제목: Surface engineering with oxidized Ti3C2Tx MXene enables efficient and stable p-i-n-structured CsPbI3 perovskite solar cells

* 저자정보: 허진혁 연구교수 (고려대/NREL, 제 1저자), Kai Zhu (NREL, 교신저자), 임상혁 (고려대, 교신저자)

  현재 차세대 고효율, 저가격 태양전지로 전 세계적으로 각광을 받고 있는 페로브스카이트¹⁾ 태양전지는 유/무기 금속 할라이드 페로브스카이트를 사용하는 정구조³⁾의 태양전지로 유기물에 의한 내재적인 내구성의 한계와 실리콘 태양전지 위에 적층하여 초고효율을 갖는 탠덤 태양전지⁴⁾를 구성하기 어려운 구조적인 단점이 있다. 

반면, 역구조³⁾의 무기페로브스카이트²⁾ 태양전지는 무기 원소로만 구성되어 기존의 유/무기 페로브스카이트와 달리 내열성이 매우 우수하여 건물 창호 및 자동차용 파노라마 선루프에 적용되는 투명 태양전지 및 실리콘 태양전지 위에 적층하여 초고효율을 갖는 탠덤 태양전지로 적용이 가능한 차세대 태양전지이다.

[용어 설명]

1) 페로브스카이트 : 러시아 과학자인 ‘페로브스키’가 발견한 광물의 결정구조.
AMX3 (A=1가 유기 또는 무기 양이온, M=Pb, Sn, X = 할로겐)구조의 금속 할라이드 결정.

2)  무기페로브스카이트: 태양전지, LED 등에 사용되는 유/무기 금속할라이드 페로브스카이트와 달리 무기물 원소로만 구성된 금속할라이드 페로브스카이트로 기존 유/무기 페로브스카이트 대비 높은 내구성을 가짐.

3) 정구조, 역구조: 페로브스카이트 태양전지는 빛이 들어오는 방향을 기준으로 전자전달체/페로브스카이트/홀전달체로 구성된 정구조 태양전지와 홀전달체/페로브스카이트/전자전달체로 역구조 태양전지로 나뉨.

4) 탠덤 태양전지: 태양전지를 2개 이상 직렬로 연결한 구조로 동일한 면적에서 태양전지의 효율을 극대화 할 수 있는 초고효율 태양전지. (이는 건전지를 2개 이상 직렬로 연결할 때 건전지 1개 보다 높은 파워를 얻을 수 있는 것과 동일한 원리임)

  기존의 무기페로브스카이트 태양전지는 높은 내열성을 가지지만 용해도가 낮고, 습도에 의한 상안정성이 불안정한 단점을 갖고 있어, 기존 스핀코팅 공정을 이용하여 대면적의 균일한 박막을 얻기 어려우며, 내광/내열/내습 특성이 우수한 태양전지의 제작이 어려운 단점이 있어, 상용화를 위해서는 반드시 해결해야 될 숙제로 남아 있다.

  임상혁 교수 연구팀은 초음파 스프레이 공정을 이용하여 무기페로브스카이트의 낮은 용해도 문제를 해결하였으며 이를 통해 대면적의 균일한 무기페로브스카이트 박막을 제작하였고, 산화 MXene^*/페로브스카이트 복합층을 무기페로브스카이트층 위에 형성함으로써, 내구성 문제점을 개선하였다.

[용어 설명]

*MXene (맥신) : 금속원자와 탄소(또는 질소)원자가 결합되어 탄소 그래핀 (graphene)처럼 단층 또는 다층의 금속탄화물 (또는 금속질화물)로 나노 판상구조를 가지며 2차전지, 전자파 차폐, 슈퍼커패시터, 촉매 등 다양한 분야에 활용이 가능한 소재. 산화 MXene은 금속 원소가 산화된 금속산화물층이 MXene의 양쪽 표면에 형성된 샌드위치 구조의 소재.

  특히, 산화 MXene/페로브스카이트 복합층은 무기페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 효과적으로 분리 및 이동 시킬 수 있고, 태양전지 내부 전 영역에서 효과적으로 전기장이 생성될 수 있도록 하며, 외부 산소 및 수분에 대한 보호층 (protection layer) 역할을 할 수 있어, 역구조 무기페로브스카이트 태양전지의 효율 및 내구성을 동시에 향상 시킬 수 있게 해 준다.

  이번 연구를 주도한 허진혁 연구교수는 “이번에 개발된 산화 MXene/페로브스카이트 복합층을 가진 역구조 무기페로브스카이트 태양전지는 대면적 양산화가 가능한 스프레이 코팅 공정을 통해 제작되었으며, 25 cm2 의 미니모듈의 경우, 1000시간 동안의 내열/내습 가속 신뢰성 테스트 (IEC 61215 standard damp heat (85°C/85% RH) stability test for 1000 h) 후 10 % 미만의 열화가 일어나는 것으로 볼 때, 건물 창호 및 자동차 선루프용 투명 태양전지, 초고효율 실리콘/무기페로브스카이트 탠덤 태양전지, 그린수소 생산 등 탄소중립 사회 달성을 위한 상용화 기술에 폭넓게 사용될 수 있을 것으로 기대한다.”고 연구의 의의를 밝혔다.

  이번 연구성과는 과학기술정보통신부, 선도연구센터 지원사업 (ERC) 및 미래기술연구실 사업과 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업의 지원으로 수행되었다.

[그림 설명] 

<그림 1> MXene 및 산화 MXene 결정 구조 및 샘플 투과전자현미경 사진

<그림 2> 무기 페로브스카이트 표면 전자현미경 사진 (위 왼쪽: 산화 MXene 복합층 無, 위 오른쪽: 산화 MXene 복합층 有) 무기 페로브스카이트 표면 PL (photoluminescence) mapping 사진 (위 왼쪽: 산화 MXene 복합층 無, 위 오른쪽: 산화 MXene 복합층 有)

<그림 3> 산화 MXene/페로브스카이트 복합층을 가진 역구조 무기페로브스카이트 태양전지 미니모듈 사진 (왼쪽) 및 85oC/85% 상대습도 조건에서 1000 시간 동안 1 Sun 연속조사에 따른 미니모듈의 전류-전압 곡선 그래프 (오른쪽)