드라이룸 탈출한 페로브스카이트 태양전지
드라이룸 탈출한 페로브스카이트 태양전지
  • 정이레 기자
  • 승인 2021.09.09 10:47
  • 댓글 0
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건국대학교 이만종 교수
기사와 직접적 관련 없는 이미지 ⒸPIXABAY
기사와 직접적 관련 없는 이미지 ⒸPIXABAY

외부 공기를 차단한 글로브박스나 습도를 제어한 드라이룸이 아닌 사람들이 쾌적하다고 느끼는 정도의 습윤환경에서도 페로브스카이트 태양전지 제작이 가능하다는 실마리가 나왔다.

 

·무기 양이온 혼합 페로브스카이트 태양전지는 단기간 25.5%의 효율을 기록하며 차세대 태양전지로 각광받고 있으며, 탄소 중립과 그린 에너지와 관련하여 전 세계적인 연구가 집중되고 있다. 하지만 유기물 성분이 수분에 극도로 취약하므로 고효율 페로브스카이트 태양전지 제작은 모두 수분과 산소가 제거된 엄격한 환경에서만 가능하다.

이 같은 엄격한 제작환경은 설비투자 비용을 좌우하기에 페로브스카이트 태양전지의 광범위한 상용화와 보급화에 걸림돌이 될 수 있다. 따라서 일반 습윤 환경 조건에서도 안정적으로 작동하는 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제작하는 방법이 필요한 실정이다.

이를 위해서는 반용매 세척 공정 시 수분 접촉을 제한하며 광활성층의 결함 없는 입자성장을 동시에 가능하게 하는 시너지 효과를 보이는 반용매의 선택이 필수적이다.

 

이에 이만종 교수(건국대학교) 연구팀이 고효율 페로브스카이트 태양전지를 일반 습윤 대기 환경(상대습도>40%)에서 제작할 수 있는 새로운 반용매 세척법을 개발했다.

반용매 세척(anti-solvent washing)이라 함은 페로브스카이트 성분 물질이 용매에 녹아있는 용액으로부터 용매만을 휘발시켜 광활성층으로 쓰일 박막형태의 페로브스카이트를 얻는다. 휘발 과정을 적절히 조절하기 위해 반용매를 분사하는 것을 말한다.

그간 페로브스카이트 전구체 용액의 용매를 제거하여 빠른 페로브스카이트 결정화를 유도하는 공정(반용매 세척법)이 널리 이용되지만, 엄격히 통제된 조건에서만 이뤄졌다. 높은 습도에서는 전구체 용액이 수분과 결합하면서 고품위 페로브스카이트 결정 형성을 방해하기 때문이다.

 

이에 연구팀은 습도에 따른 영향을 상쇄하기 위해 서로 상보적인 낮은 증기압 특성과 낮은 끓는점 특성을 갖는 다이부틸에터와 다이에틸에터가 혼합된 반용매로 용매를 제거하는 공정을 개발했다.

기존 용매제거에 쓰이던 클로로벤젠과 다이에틸에터가 습윤환경에서 빠르게 증발, 페로브스카이트 광활성층의 변형이나 스트레스를 초래하던 것을 극복하기 위한 것이다.

 

■ 반용매세척법을 이용한 페로브스카이트 제작 공정 모식도 ■
페로브스카이트 결정을 얻는데 널리 사용되는 반용매 세척법을 이용하였다. 습윤환경 조건에서 반용매 세척 용매를 달리하여 페로브스카이트 박막을 합성하였다. 다이에틸에터를 단일 용매로 사용한 경우(그림 위) 페로브스카이트 박막이 변형되지만 다이부틸에터/다이에틸에터 혼합 반용매를 사용한 경우(그림 아래) 결함이 제거된 변형이 되지 않는 고품위 페로브스카이트 박막을 제작할 수 있었다.
[그림설명 및 그림제공 : 건국대학교 이만종 교수]
■ 습윤환경에서 제작한 페로브스카이트 태양전지의 효율 및 안정성 ■
(왼쪽) 다이에틸에터와 다이부틸에터/다이에틸에터 혼합 반용매를 이용했을 때 각각 얻어지는 구조를 시뮬레이션(DFT)하여 페로브스카이트 유기물이 물과 결합하면 구조가 변형되는 것을 확인하였다.
(가운데) 혼합 반용매 처리를 통해 얻은 페로브스카이트 태양전지 효율(J-V)을 나타낸 것으로 22.06%의 효율(셀면적 0.10 cm2 기준)을 나타내었다.
(오른쪽) 습윤조건에 지속적으로 노출시켰을 때, 1,200시간 후에도 초기 효율의 94% 이상을 유지하였다.
[그림설명 및 그림제공 : 건국대학교 이만종 교수]

실제 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 습윤 대기 환경하에서 제작된 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율(22.06%)과 안정성(1,200시간 후 초기효율의 94% 유지)을 나타냈다.

나아가 연구팀은 페로브스카이트 박막 제작과정에서 수분과의 반응이 박막 표면에 요철을 발생시키며 이 요철로 인한 전하이동도 저하가 태양전지 효율 감소로 이어지는 것을 규명해 냈다.

 

이만종 교수는 엄격히 조절된 환경 제약에서 탈피하여, 습윤 환경 조건에서도 고효율 페로브스카이트 태양전지 구현이 가능함을 제시하였다라고 밝혔다.

 

이번 결과는 에너지/소재 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)2021730(온라인) 게재되었다.

 

 


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