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2014. 6. 26(목) 석간부터 보도하여 주시기 바랍니다.
문의 : 원천연구과 박진선 과장(02-2110-2380), 김용만 서기관(02-2110-2381) 멀티스케일에너지시스템연구단 최만수 단장(02-889-6669) 성균관대학교 박남규 교수(031-290-7241)

세계 최고 수준의 광안정성을 가진

고효율 페로브스카이트 태양전지 개발

- 광안정성이 우수한 16% 고효율 포름아미디늄 페로브스카이트 태양전지 개발 -

□ 포름아미디늄 양이온을 이용하여 16% 고효율과 장기 광안정성을 가진 페로브스카이트 태양전지가 국내 연구진에 의해 개발되었다.

※ 페로브스카이트 : ABX3(A와 M은 양이온, X는 음이온) 화학식을 갖는 결정구조체로 A 양이온이 유기물을 사용할 경우 우수한 태양전지 특성을 가진 물질이 된다.

○ 이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 글로벌프론티어사업의  멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수)과 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 박남규(성균관대학교) 연구팀이 수행하였으며 연구결과는 재료분야 최고 전문지인 Advanced Materials 紙 6월 13일(금) 온라인에 게제 되었다.

※ 논문명: High-Efficiency Perovskite Solar Cells Based on the BlackPolymorph of HC(NH2)2PbI3

□ 페로브스카이트 태양전지는 최근 높은 효율과 낮은 공정단가로 인하여 각광을 받는 새로운 차세대 태양전지 기술이다. 기존의 페로브스카이트 태양전지로 사용된 물질은 메틸암모늄 양이온이다.

○ 그러나 이 물질을 사용할 경우, 800nm 이하의 파장을 가진 빛만 흡수하여 태양전지로써의 기능을 향상하는데 제한이 있었다. 또한 태양전지로 작동하는 온도에서 상전이 현상(고체에서 액체로 변화는 것과 같이, 물질이 다른 상(相)태로 변화는 현상)과 빛의 장기 노출에 따른 광열화 현상(빛에 노출로 재료의 성능이 떨어지는 현상)으로 안정성에 있어서 풀어야 할 숙제가 있었다.

□ 연구팀은 메틸암모늄 대신 고순도 포름아미디늄을 이용하여 광안정성이 우수하면서도 16%의 고효율을 가진 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다.

○ 이번 개발된 포름아미디늄 페로브스카이트 태양전지는 상전이 현상이 없고, 빛에 장기 노출에도 안정성이 우수하다. 또한 흡수할 수 있는 빛의 파장이 840nm로, 기존보다 40nm 더 확장되어 광전류 생성이 보다 더 유리하다.

○ 특히, 연구팀은 장기안정성이 있는 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발(Nature Scientific Report, 2012. 8월)하여 발표한 이후, 포름아미디늄 이온을 이용한 태양전지 개발을 시도하였지만 포름아미디늄의 순도가 낮아 그간 개발된 태양전지의 평균 효율이 10% 이하였다. 이에, 연구팀은 포름아미디늄의 전구체(특정 물질이 되기 전단계의 물질)가 되는 고순도 포름아미디늄요오드 물질을 자체 개발하여 고효율화에 성공하였다.

□ 연구팀은 “이번 개발된 포름아미디늄 양이온을 이용한 태양전지는 광안정성에서는 세계 최고 수준이며, 공정시 평균 효율도 15.5%로 재현성 또한 뛰어나며, 기존보다 빛을 흡수하는 영역이 더 확장되어 향후 태양전지 구조 및 공정기술을 최적화할 경우 25% 이상의 고효율이 가능할 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

붙임 1. 연구결과개요

붙임 2. 용어설명

붙임 3. 사진설명

붙임 4. 연구진 이력사항

연 구 결 과 개 요

High-Efficiency Perovskite Solar Cells Based on the Black

Polymorph of HC(NH2)2PbI3

Jin-Wook Lee , Dong-Jin Seol , An-Na Cho , and Nam-Gyu Park

(Advanced Materials, 0nline published on June 13, 2014)

1. 연구 내용

최근 학계와 연구계로부터 초미의 관심이 되고 있는 페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 물질의 높은 광흡수 특성과 우수한 전하전달 특성으로 인하여 고효율화가 가능하며, 2012년 박남규 교수 연구팀의 의해 9.7% 고효율의 페로브스카이트 태양전지가 최초 개발된 이후 전 세계적으로 페로브스카이트 태양전지 개발에 전념한 결과, 불과 1-2년 사이 18%에 접근하는 고효율이 가능하게 되었다.

페로브스카이트 태양전지로 사용된 물질은 메틸암모늄 양이온과 2가의 납과 요오드로 구성되어 있다. 하지만, 메틸암모늄 페로브스카이트 물질을 사용할 경우 태양전지 작동 온도에서 상전이와, 광에 장시간 노출 될 경우 광열화 현상 등 풀어야 할 문제를 가지고 있다. 또한 800 nm 까지의 빛만 흡수하기 때문에 광전류 향상에 제한을 받고 있다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해서는 상전이가 없으며, 광안정성이 우수하고, 더 광파장까지 흡수가 가능한 새로운 페로브스카이트 물질이 요구되는데, 메틸암모늄 양이온을 포름아미디늄으로 치환할 경우 가능하다.

본 연구에서는 고순도 전구체를 자체 개발하여 세계 최고 수준의 16% 고효율의 포름아미디늄 페로브스카이트 태양전지를 개발하는데 성공하였다. 특히 평균효율도 15.5%로 재현성이 뛰어나며, 상전이가 없으며 광안정성 우수함이 증명되었다.

2. 연구 결과

(1) 포름아미디늄요오드 전구체를 다음과 같은 반응에 의하여 자체 개발하였으며, 고순도 이면서 수율 95% 이상이었다.

(2) 40 nm 흡수파장이 확장 되었으며, 약 150 ℃ 에서 열처리 하였을 경우 우수한 특성을 보이는 것을 확인하였다. 특히 열처리 온도에서 광활성 100% 검정 포름아미디늄 페로브스카이트 물질을 형성되는 것을 확인 하였다.

그림 1. 포름아미디늄 페로브스카이트 광흡수체의 광흡수특성 및 열처리 온도에 따른 광특성

(3) 나노구조 제어에 의하여 광전자 전달을 빠르게 하고, 저항을 최소화하여 효율을 더욱 증가시킬 수 있었다.

그림 2. 나노구조 제어에 따른 전자수집 능력 향상과 저항 최소화로 효율을 증가시킴.

(4) 홀전도체와의 접합 구조를 효율적으로 제어하여 계면 저항으로 더욱 최소화 할 수 있으며, 그 결과 광전 변환 특성이 향상되었다.

그림3. 홀전도체와 페로브스카이트 층의 계면 구조를 제어하여 계면 저항을 최소화 함.

(5) 포름아미디늄 페로브스카이트 필름의 상층부를 매우 얇은 메틸암모늄으로 장파장에서 광전환 특성을 더욱 향상시켜 효율 16%를 달성 함.

그림4. 홀전도체와 페로브스카이트 층의 계면 구조를 제어하여 계면 저항을 최소화 함.

(6) 광안정성 비교: 포름아미디늄 페로브스카이트 vs 메틸암모늄 페롬브스카이트

그림5. 빛 노출 하에서 전류-전압 반복측정을 통한 광안정성 시험 (A) 포름아미디늄 페로브스카이트 vs (B) 메틸암모늄 페로브스카이트. 메틸암모늄 경우 광열화 현상 보이나 포름아미디늄 경우 광안정성 우수함.

용   어   설   명

1. Advanced Materials 誌

○ Wiley사의 Advanced Materials 는 재료분야 세계적인 저널로서 impact factor 가 14.829 임.

2. 흡광계수

○ 빛을 흡수하는 정도를 나타내는 계수. 흡광계수가 높을수록 박막화가 가능

3. spiro-MeOTAD

○ 홀전도체 물질로서 정확한 분자명칭은

2,2’,7,7’-tetrakis-(N,N-di-p-methoxyphenyl-amine)-

9,9’-spirobifluorene.

4. IPCE (incident photon-to-electron conversion efficiency)

○ 파장에 따른 광자를 전자로 변환하는 양자효율.

5. 페로브스카이트

○ ABO3 또는 ABX3 화학식을 갖는 결정. A 양이온은 산소 (O) 또는 할로겐원소 (X)와 12 배위를 하고 B 양이온은 6배위를 하는 결정구조.

6. 포름아미디늄 페로브스카이트

○ HC(NH2)2PbI3 화학식을 갖는 페로브스카이트 물질로 밴드갭이 약 1.47 eV, 태양전지 작동온도 (상온-120 oC) 범위에서 상전이 없으며, 광안정성이 우수함.

사   진   설   명

○ 포름아미디늄 페로브스카이트 태양전지 효율

연구책임자 이력사항

1. 인적사항

○ 소 속 : 성균관대학교 화학공학부 교수

○ 성 명 : 박 남 규

○ 전 화 : 031-290-7241

○ e-mail : npark@skku.edu

2. 학력

○ 1988 : 서울대학교  학사 (화학교육)

○ 1992 : 서울대학교 석사 (무기화학)

○ 1995 : 서울대학교 박사 (무기고체화학)

3. 경력사항

○ 1996 ~ 1997 : 프랑스 ICMCB-CNRS, Postdoc Fellow

○ 1997 ~ 1999 : National Renewable Energy Lab (NREL), Postdoc Fellow

○ 2000 ~ 2005 : 한국전자통신연구원, 책임연구원

○ 2005 ~ 2009 : 한국과학기술연구원 (KIST), 태양전지연구센터장

○ 2009 ~ 현재 : 성균관대학교 화학공학부, 교수

(수상실적)

○ 이달의과학기술자상 (2008년, 교육과학기술부)

○ 경향전기에너지 국무총리상 (2008년, 경향신문)

○ 듀폰과학기술상 (2010년, 듀폰코리아)

○ 성균펠로우 (2013년, 성균관대)

○ 국가연구개발 우수성과 100선 (2013년, 미래부)

○ 미국재료학회 우수연구상 (2014년, 미국 MRS)

4. 전문 분야 정보

1. Mechanism of carrier accumulation in perovskite thin-absorber solar cells, Nature Communications, 4, 2242 (2013)

2. Quantum-dot-sensitized solar cell with unprecedentedly high photocurrent, Nature Scientific Reports, 3, 1050 (2013)

3. High efficiency solid-state sensitized solar cell-based on submicrometer rutile TiO2nanorodandCH3NH3PbI3perovskitesensitizer,Nano Letters, 13, 2412 (2013)

4. Lead iodide perovskite sensitized all-solid-state submicron thin film mesoscopic solar cell with efficiency exceeding 9%, Nature Scientific Reports, 2, 591 (2012)

5. Lee, K., Park, S.W., Ko, M.J., Kim, K., Park, N.-G., “Selective positioning of organic dyes in a mesoporous inorganic oxide films,” Nature Materials, 8, 665 (2009)

* Detailed publication list can be found at http://ngplab.skku.edu

5. 주요참여연구진 사진

제1저자 이진욱 (박사과정, 성균관대)