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페로브스카이트 성능과 안정성 모두 잡았다

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페로브스카이트 성능과 안정성 모두 잡았다

2020.11.16 14:14
포스텍 연구팀, '유기스페이서' 첨가
조길원 포스텍 화학공학과 교수와 송성원 박사과정생 연구팀은 페로브스카이트 결정에 ‘유기스페이서’라는 유기물을 첨가해 수분 저항성을 늘리면서도 결정 결함은 낮춰 성능도 높고 안정성도 커진 페로브스카이트 태양전지를 구현했다. 포스텍 제공
조길원 포스텍 화학공학과 교수와 송성원 박사과정생 연구팀은 페로브스카이트 결정에 ‘유기스페이서’라는 유기물을 첨가해 수분 저항성을 늘리면서도 결정 결함은 낮춰 성능도 높고 안정성도 커진 페로브스카이트 태양전지를 구현했다. 포스텍 제공

태양전지에 활용되는 페로브스카이트에 유기물을 첨가해 안정성과 효율을 동시에 높이는 기술이 개발됐다.

 

조길원 포스텍 화학공학과 교수 연구팀은 페로브스카이트 결정에 ‘유기스페이서’라는 유기물을 첨가해 수분 저항성을 늘리면서도 결정 결함은 낮춰 성능도 높고 안정성도 커진 페로브스카이트 태양전지를 구현하는 데 성공했다고 이달 16일 밝혔다.

 

페로브스카이트는 두 개의 양이온과 하나의 음이온이 결합한 특이한 규칙적 입체 구조를 갖는 광물질이다. 태양광을 받으면 전기를 전달하는 전자와 정공을 만들어 태양전지 소재로 주목받고 있다. 하지만 안정성이 부족하고 수분에도 약한 것이 단점이다. 연구자들은 안정성을 높이면서도 효율 또한 높일 수 있는 새로운 페로브스카이트 구조를 개발해 왔다.

 

연구팀은 페로브스카이트 결정에 유기스페이서 분자첨가제를 도입했다. 스페이서는 물질의 결정 내부에서 공간을 채워주는 물질이다. 페로브스카이트는 3차원 구조를 띄는데 유기스페이서를 넣었더니 페로브스카이트 결정 표면의 3차원 구조 내부에 스페이서가 들어차면서 2차원으로 구조가 바뀌었다. 연구 1 저자인 송성원 박사과정생은 “2차원 구조가 화학적 안정성이 일반적으로 우수하다”며 “페로브스카이트 결정에 일종의 안정화층인 껍질을 만드는 것”이라고 말했다.

 

포스텍 제공
연구팀은 유기스페이서(왼쪽 빨간색 결정과 고리로 구성된 물질)를 첨가함으로써 3차원 페로브스카이트 결정 표면에 2차원 페로브스카이트 구조가 만들어지도록 했다. 그 결과 발전 효율과 수분 안정성이 모두 높아지는 것으로 나타났다. 포스텍 제공

여기에 유기스페이서는 2차원과 3차원 페로브스카이트 구조 사이 힘을 최소화시켜 3차원 페로브스카이트 결정의 생성과 성장을 촉진하는 것으로 나타났다. 그 결과 3차원 페로브스카이트 결정 내부결함이 줄어들었다. 조 교수는 “스페이서가 알킬기로 구성돼 있어 수분이 침투하는 것도 막아준다”며 “이온이 인력이 약해 빠져나가기 쉬운데 유기물질을 넣음으로써 이온이 이탈하는 것을 막아주는 역할도 한다”고 말했다.

 

연구팀이 개발한 2차원과 3차원 구조가 혼합된 페로브스카이트 태양전지는 기존 3차원 구조의 발전 효율인 16.1%를 21.3%로 끌어올렸다. 수분에도 강해 60% 상대습도 조건에서 500시간이 지나도 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

 

조 교수는 “이번 연구는 고성능 및 고안정성 페로브스카이트 태양전지 구현을 위한 유기스페이서 분자설계의 새로운 관점을 제시했다”며 “페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화에 이바지할 수 있는 원천기술이 될 것으로 전망한다”고 말했다.

 

과학기술정보통신부 글로벌프론티어사업 ‘나노기반 소프트일렉트로닉스연구단’ 지원으로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 이달 10일 속표지논문으로 실렸다.

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