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고신뢰성 페로브스카이트 태양전지 개발

- GIST 이광희 교수팀, 페로브스카이트 태양전지의 신뢰성을 높이는 신규 소자 구조 개발

 

□ GIST(광주과학기술원) 신소재공학부 이광희 교수팀이 고신뢰성를 보이는 페로브스카이트 태양전지 소자를 개발하는데 성공했다.

* 페로브스카이트 태양전지 : 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지이다.

□ 기존에 페로브스카이트 태양전지의 전자 수송층으로 가장 많이 이용되는 티타늄 산화물 (TiO2) 소재는 공정온도가 500 °C에 근접하여 플라스틱 기판이나 플렉시블 투명 전극에 적용할 수 없을 뿐 아니라 롤투롤 연속공정에도 적용하기 어렵다는 문제가 있어왔다.

∘ 특히, 티타늄 산화물 기반의 페로브스카이트 태양전지는 전류-전압 곡선의 스캔 방향 및 속도에 따라 성능이 극심하게 차이 나는 ‘히스테리시스’ 현상을 보여 신뢰성 있는 성능평가가 불가능한 문제가 있었다.

* 히스테리시스 : 이력 현상 (물질의 물리량이 현재의 물리적 조건만으로 결정되지 아니하고, 이전부터 그 물질이 겪어 온 상태의 변화 과정에 의하여 결정되는 현상). 흔히 태양전지 분야에서는 전류-전압 특성을 측정할 때 단락전류에서 개방전압으로 스캔이 되는 정방향과 개방전압에서 단락전류로 스캔이 되는 역방향의 곡선이 일치되지 않고 차이가 나는 현상을 일컫는다.

 

□ 연구팀은 풀러렌 유도체(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester, PCBM)와 페로브스카이트 소재 간에 전자 전달 능력이 매우 우수하다는 점과 풀러렌 유도체로 수집된 전자를 전극으로 전달 할 때 고분자 전해질 (Polyethyleneimine, PEI)을 전극 표면에 도입하면 성능이 크게 증가한다는 점에 착안하여 풀러렌 유도체와 아민 양이온을 갖는 비공액 고분자 전해질을 섞은 유기나노복합체 소재를 개발하였다.

∘ 유기나노복합체 소재는 용액 상태에서 균일하게 섞여 있다가 코팅을 하면 자발적 상분리가 일어나 고분자 전해질은 금속 표면으로 이동하여 일함수를 조절하고, 또한 풀러렌 소재는 전자 수집 능력의 저하 없이 페로브스카이트에서 발생된 광전자가 잘 전달됨을 발견하였다.

∘ 특히, 기존 티타늄 산화물 소재에서 문제가 되던 히스테리시스 현상이 완벽하게 제거됨을 확인하여 고신뢰성의 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있음을 보였다.

□ 이광희 교수는 “이번 연구는 높은 공정온도와 히스테리시스 현상을 일으키는 티타늄 산화물을 대체할 유기나노복합체를 개발하여, 향후 롤투롤 공정에 적합한 고신뢰성 페로브스카이트 태양전지 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대 된다”고 말했다.

□ 이광희 교수가 주도하고 박사과정의 이진호(GIST‧나노바이오재료전자공학과) 학생과 강홍규 박사(임페리얼 대학‧연구교수)가 수행한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 중견연구자지원사업과 원천기술개발사업, 국제협력사업의 지원을 받아 수행되었으며, 에너지 분야 전문 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials) 2017년 4월 20일자에 온라인으로 게재됐다. <끝>

 

※ 논문 제목 : A Printable Organic Electron Transport Layer for Low-Temperature-Processed, Hysteresis-Free and Stable Planar Perovskite Solar Cells

교신저자: 이광희 교수(GIST 신소재공학부), 강홍규 박사(Imperial College London)

1저자 : 이진호(GIST 나노바이오재료전자공학부 박사과정)

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