페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상

성균관대학교 에너지과학과 (DOES) 석박통합과정 서성록 연구원과 신현정 교수 연구팀 그리고 박남규 교수는 공동으로 차세대 태양전지 소재로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 획기적으로 향상시키는 기술개발에 성공했다고 밝혔다. 페로브스카이트는 결정구조의 이름이며 최근의 차세대 태양전지로서의 유-무기 할라이드 원소를 사용한 특별한 조성의 물질군을 일컫는다. 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 기간 동안 광변환 효율 22%를 넘는 고 효율 보이는 광흡수층으로 전세계적으로 많은 연구자들에게 커다란 관심의 대상이다. 특히 작년에 박남규 교수는 해당 물질의 태양전지 연구의 선구자적인 업적을 인정받아 노벨 화학상 후보로 거론되기도 하였다. 이 소재는 매우 우수한 광전 특성을 가지며 동시에 저비용의 장점이 있으나 수분, 열, 빛, 그리고 전기장 등에 취약하여 짧은 소자 수명이 산업화의 걸림돌로 지적되었다. 본 연구에서 사용된 페로브스카이트 태양전지의 구조는 역전형 (inverted type) p-i-n 구조로 되어있으며 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 또 다른 물질들인 전하수송층을 무기계 소재로 구성함으로써 매우 안정한 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다. 전하수송층들은 모두 원자층 증착법 (atomic layer deposition, ALD)으로 증착되었으며, 박막의 핀홀이 없이 균일하고 밀도 높은 막질을 형성하였다. 특히 무기계 전자수송층으로 Al이 도핑된 ZnO를(AZO) 채택하였고, 이 소재는 매우 우수한 전자수송 특성뿐만 아니라 아래에 있는 페로브스카이트 층을 보호하는 역할을 하였다. ALD - AZO는 외부 수분 및 산소의 페로브스카이트 층으로의 침투와 페로브스카이트의 휘발성 구성원의 증발을 방지함으로써 안정성을 향상 시킬 수 있음이 밝혀졌다. 특히 완성된 소자의 표면에서 진행되는 기존의 봉지기술과 차별화되는 특성으로, 전극/페로브스카이트의 사이에 존재하는 ALD - AZO 층은 전극/페로브스카이트 간의 상호확산 (interdiffusion)을 차단함으로써 태양전지의 작동환경 안정성을 획기적으로 개선하였다. 본 공동 연구진은 페로브스카이트 태양전지의 안정성 평가에서 ADL-AZO 박막을 채택하지 않은 소자들은 빛을 조사하였을 경우 매우 빠른 속도로 소자의 열화가 진행되는 반면 ALD – AZO 박막을 채택한 소자는 500 시간 동안 초기 효율의 99.5 %의 특성을 유지하였음을 확인하였다. 이처럼 안정성이 향상된 페로브스카이트 태양전지는 초기효율 18.45 %에서 시작하여, 고온 (85 oC) 및 대기환경 (ambient air)분위기, 모의 태양빛 (1-sun) 조사라는 극한 환경에서 500 시간 동안 86.7 %의 효율을 유지할 수 있어 페로브스카이트 태양전지의 산업화 가능성을 크게 높였다. 에너지과학과 신현정교수와 서성록 연구원, 화학공학과 박남규 교수가 수행한 본 연구는 한국연구재단 및 글로벌프론티어사업 (단장: 최만수 교수)의 지원으로 진행되었으며, 재료과학 (material science)분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials, IF 19.791)에 5월 23일자 온라인판에 게재되었다.

60도 회전 대칭을 갖는 새로운 결정구조의 금 나노와이어 합성에 성공

에너지과학과(DOES) 박사과정 이선희 연구원과 신현정 교수 연구팀은 나노스케일의 제한된 구조 내에서 높은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 금(Au) 나노와이어를 성장시켰으며, 그 안에서 새로운 결정구조, 즉 동질이상(同質異像, polymorph)을 발견하였다. 금은 백금(Pt)와 함께 구조적으로 가장 안정한 물질로 알려져 있으며, 지금까지 면심입방(face-centered cubic, fcc) 구조만이 보고되었다. 동질이상(polymorphism)은 화학 조성은 같지만 다른 결정구조를 갖는 것을 말한다. 결정구조의 미세한 변화는 광학적, 전기적 특성을 포함한 물리•화학적 특성 변화를 초래하기 때문에 동질이상의 제어는 기초 재료 과학 연구에 있어서 매우 중요하다. 동질이상은 물과 얼음, 다이아몬드와 흑연처럼 일상에서도 흔히 접할 수 있는 물질에서도 나타나며, 약학에서는 주로 부작용을 줄이기 위하여 연구되었다. 그러나 금, 은, 백금, 구리와 같은 귀금속에서는 거의 연구가 이루어 지지 않았으며, 아직도 미지의 영역으로 남아있다. 일반적으로 동질이상은 온도와 압력 등 주변 환경에 영향을 받으며 열역학적으로 가장 안정한 구조를 채택하지만, 신현정 교수 연구팀은 온도와 압력이 일정한 상태에서도 나노스케일의 제한된 구조가 새로운 준안정상(metastable phase)이 형성될 수 있는 환경을 제공 할 수 있다는 것을 실험적으로 증명하였다. 이 준안정상은 투과전자현미경을 이용하여 60° 회전 대칭(6-fold rotational symmetry)을 갖는 육방비조밀충진(hexagonal non-close-packed) 구조로 확인되었다. 이 구조는 일반적인 육방조밀충진(hexagonal close-packed, hcp) 구조보다 큰 면간 거리를 가지며, 마치 층상구조인 흑연(graphite)과 매우 유사하다는 것을 밝혀내었다. 육방비조밀충전 구조는 기존의 면심입방(face-centered cubic) 구조에 상응하는 열적 안정성을 보였으며, 광학적 특성에서도 분명한 차이를 보였다. 본 재료과학 분야의 기초연구로 나노스케일에서의 동질이상 형성 메커니즘을 규명함으로써, 화학조성의 변화 없이 재료 고유의 물리•화학적 성질을 뛰어 넘는 새로운 소재 개발을 위한 발판을 마련하였다는 점에서 큰 의미를 갖는다. 에너지과학과 신현정 교수와 이선희 연구원, 배창득 연구교수가 주로 수행한 본 연구는 재료과학(material science) 분야의 세계적인 학술지인 어드밴스드 머티리얼스 (Advanced Materials, IF 19.791)에 표지논문으로 선정되었다. (2018.04.20) 본 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행되었다.