3 년의혁신, 30 년의성장 보도자료 http://www.msip.go.kr 2014. 7. 11( 금 ) 조간 ( 온라인 7. 10. 12:00) 부터보도하여주시기바랍니다. 문의 : 원천연구과박진선과장 (02-2110-2380), 김용만서기관 (02-2110-2381) 멀티스케일에너지시스템연구단최만수단장 (02-889-6669) 한국화학연구원화학소재연구본부석상일박사 (042-860-7314) 세계최고효율의하이브리드페로브스카이트태양전지개발 - 극도의균일하고치밀한구조를가진다층박막생성원리구명과실현 - 국내연구진이세계최고효율 (17.9%) 의무 유기하이브리드페로브 스카이트태양전지 * 의구조와제조공정기술을개발하였다. 더나아가 저렴한화학소재와손쉬운공정으로값싸게실현하여기존에상용화 되어있는실리콘태양전지에필적하는고효율태양전지를저가로 제조할수있는길을찾았다. o 이번연구는미래창조과학부가추진하는글로벌프론티어사업의 멀티스케일에너지시스템연구단 ( 단장최만수 ) 및글로벌연구실사업과 한국화학연구원의 KRICT 2020 사업의지원으로수행되었고, 한국 화학연구원석상일박사 ( 성균관대학교 ) 가주도하고전남중박사, 노준홍박사등이공동으로수행하였다. 연구결과는 Nature Materials 紙 7 월 6 일 ( 일 ) 자온라인판에게재되었다. - 1 -
현재상용화된실리콘태양전지는 20% 가량의효율을갖지만, 고난도의 제조공정에따른높은가격때문에화석연료로생산된전기와경쟁 하기에는무리가있다. 이에대한대안으로다른소재를사용한 태양전지에대한연구가진행되어왔으며, 그중무 유기하이브리드 페로브스카이트태양전지는 2012 년부터본격적으로연구되기시작했다. 연구팀은 2013 년초, 무 유기하이브리드페로브스카이트태양전지 플랫폼기술을개발 (Nature Photonics 13.5.5) 하였고, 이번연구는 그연장으로무 유기하이브리드페로브스카이트태양전지의핵심 요소인매우균일하고치밀한박막을제조하기위해, 해당태양전지의 구조를구명하고값싸면서도손쉬운공정기술을개발하였다. o 더나아가서값싼무 유기물로기판을구성하고, 개발한공정 기술로균일하고치밀한페로브스카이트박막을기판에입힘으로써 세계최고효율을가진무 유기물하이브리드페로브스카이트 태양전지를제조하였다. o 연구팀이수행한연구결과는태양전지의효율을공식적으로공인 하는미국재생에너지연구소 (NREL)* 의태양에너지효율기록지에 세계최고의효율로연속등재 (2013 년 16.2%, 2014 년 17.9%) 되어 그결과의우수성이객관적으로검증되었다. 연구팀은 이번연구는그동안효율향상에어려움을가지고있던 차세대태양전지의효율을획기적으로향상시키고기존태양전지에 비하여 1/3 이하의가격으로제조가가능한기술로서, 고효율과저가 라는두가지화두를모두만족하면서고유기술로이루어진성과이다. 향후대면적스케일의연속코팅공정을위한핵심소재개발과 상용화공정기술개발을통해실용화가이루어질경우현재사용하고 있는화석연료와가격경쟁이가능할것으로기대된다. 라고밝혔다. - 2 -
연구결과개요 Solvent-engineering for high performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells Nam Joong Jeon, Jun Hong Noh,Young Chan Kim, Woon Seok Yang, Seungchan Ryu, and Sang Il Seok (Nature Materials, 2014. 07. 6. on-line 게재 ) 연구배경태양전지는핵심소재에따라실리콘과같이무기반도체소재로이루어진 n-p 다이오드형태양전지와유기물질과무기물질을포함하고있는엑시톤생성-분리형인유기고분자, 염료감응태양전지및무 / 유기하이브리드태양전지로나눌수있다. 그러나, 현재약 90% 이상사용되고있는결정질실리콘태양전지는효율이높지만고도의기술과다량의에너지가필요하여가격이고가인문제점이있으며, 유기및염료감응태양전지는여전히효율이낮아대규모적인상용화에어려움을가지고있다. 2012년부터본격적으로연구되기시작한무 / 유기하이브리드페로브스카이트태양전지는짧은연구역사에도불구하고기존의유기및염료감응태양전지의효율을넘고있다. 본연구에서는 2013년초 Nature Photonics지에보고한무 / 유기하이브리드페로브스카이트태양전지플렛폼기술에바탕하여, 매우균일하고치밀한 2층구조의태양전지를용액법으로제조하는기술을개발하였다. 아울러무 / 유기하이브리드페로브스카이트태양전지는구조와측정방법에따라전류-전압 (I-V) 곡선이 hysteresis 를가지고있음을보고하고, 이를최소화할수있는방법론및치밀하고균일한막막생성원리를규명하게되었다. 연구내용본연구에서개발한무 유기하이브리드페로브스카이트태양전지는투명전극 이코팅된유리기판 의치밀한 박막 약 의다공성 막 무기물질 에 의 가도입된광흡수물질 로홀전도성고분자및 전극으로이루어져있다 용매엔지어링에의한균일하고치밀한무 / 유기 - 3 -
하이브리드페로브스카이트박막제조방법개발및이에다른생성원리규명하였다. 무 / 유기하이브리드페로브스카이트물질은용매가증발함에따라바로고체형결정성박막이생성되어균일하며, 치밀한박막제조가매우어려운물질이다. 본연구에서는그림 1에보인박막제조공정도에서볼수있는바와같이무 / 유기하이브리드페로브스카이트물질의반응성을조절할수있는용매의사용과코팅공정중에새로운유기용매를떨어지게하여, 반응성이제어된중간상을고정화하는매우독특한방법을보고하고있다. 그림 1. 균일하고치밀한무 / 유기하이브리드페로브스카이트박막제조공정도. 또한치밀한박막제조에서핵심적인요소로서 반응성이제어되는 중간물질을분리 분석하여균일한박막제조를위한원리를규명하고 그 경로를그림 와같이제안하였다 그림 2. 균일하고치밀한무 / 유기하이브리드페로브스카이트박막이제조되는원리에대한개념도. - 4 -
무 / 유기하이브리드페로브스카이트소재는태양전지구조에따라전류-전압 (I-V) 곡선이스캔방향에따라큰 hysteresis를가질수있음을보고하고, 이를최소화할수있는방법론을제안하였다. 그림 3에서보는바와같이광양극으로사용하는다공성 TiO 2 층의두께가따라전류-전압 (I-V) 곡선으로부터얻어진효율이스캔방향에따라큰차이를보이고있음을알수있다. 이현상을최소화하여고효율태양전지를제조하기위해서는광양극인다공성 TiO 2 에충진된층과그위에형성된순수페로브스카이트층의비율이매우중요하다는것을제안하였다. 그림 3. 다공성 TiO 2 층이없는구조 (a) 와최적두께로존재하는경우 (b) 스캔방향에다른전류 - 전압 (I-V) 곡선의 hysteresis 가다르며, TiO 2 층두께의 함수로나타낸스캔방향에따른효율차이를나타낸그림 (c). 기대효과이번연구는무 / 유기하이브리드페로브스카이트태양전지를제조하기위한핵심구조를제안하고, 이를위한공정을실재로구현하여세계최고효율의태양전지제조기술을확보하게되어실재산업적으로도활용이기대된다. 또한무 / 유기하이브리드페로브스카이트소재를활용한태양전지가보이는특이한거동을보고하고, 균일하고치밀한박막제조원리를규명하여이분야의학문발전에도큰할용이기대되고있다. - 5 -
연구결과문답 - 6 -
용어설명 네이쳐머터리얼 지 의자매지중가장높은영향력지수를가진소재및융합기술분야전문 학술지 년도 피인용지수 실리콘태양전지 전자 정공 의무기반도체를 으로서로접합하였을때반도체의금지대폭 보다큰에너지를가진태양광이입사되면전자 정공쌍이생성되는데 이들전자 정공이 접합부에형성된전기장에의해전자는 층으로 정공은 층으로모이게되는원리로동작하는태양전지 광석으로부터매우고순도의태양전지용실리콘을제조하기위하여대규모의투자와에너지다소비로제조비용이고가임 유기태양전지 태양광을흡수하여전자 정공을생성하는고분자재료에전자흡수능력을가진물질을결합하여제조되는태양전지 화학합성과인쇄공정의적용이가능하여저가로제조가가능하지만 효율과광안정성이낮은단점이있음 염료감응태양전지 식물의광합성원리를모방한태양전지로 전자 전도성지지체위에태양광을 흡수하는염료를부착하여태양광흡수로생성된전자 정공쌍이전자전도체 홀전도체 계면에서분리되어전자와홀이외부회로로흐르게하여동작하는태양전지 효율이비교적높고저가로제조가능하지만 액체전해질사용으로장기적으로사용하는데안정성문제가있음 페로브스카이트 결정구조 천연광물인 와같은결정구조를갖고있는 화합물에대하여 러시아과학자인페로브스키를기념하여페로브스카이트화합물이라고부름 여기서 은금속양이온이고 는할로겐화물 또는산화물 을 포함하는음이온 - 7 -
구조는정육면체단위격자의꼭짓점에크기가큰양이온 (A) 이있고 (8 1/8) 가운데크기가 A에비하여상대적으로작은양이온 (M) 이, 각면중앙에음이온 (X) 이존재하는 (6 1/2) 구조다. 페로브스카이트는 A와 B, X에어떤원자 ( 또는작용기 ) 가있느냐에따라수백가지종류가알려져있으며, 압전, 유전등다양한특성을가지고있기에산업적으로도널리활용되고있는물질임 본연구에서의페로브스카이트는 자리에유기물인 이 위치하고 자리에 자리에 가자리잡은무기물과유기물이 화학적으로결합된화합물임 - 8 -
추가적인그림설명 ( 출처 : http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.jpg) 그림 에등재된 Best Research-cell efficiencies 상기그림은미국 NREL 에서각각의태양전지기술에서검증된기관에서측정된세계 최고효율을정기적으로기록하는기록지로서, 한국의대학및연구기관으로는처음으로 한국화학연구원 (KRICT: Korea Research Institute of Chemical Technology) 이등재에성공함. 그림 본연구에서제안되고구현된다층구조 기존에알려진태양전지기술은염료감응태양전지, 박막태양전지, 유기태양전지기술이알려져있지만, 본연구에서는상기 3가지기술을모두결합한 2중구조를제안하고, 이구조를완벽하게실현할수있는용액공정을결합하여세계최고의무 / 유기하이브리드페로브스카이트태양전지기술개발에성공함. - 9 -
그림 기존기술과본연구의용액공정법에의한박막구조비교 상기그림 의 는진공증착법으로제조한박막의상부구조를관찰한사진이며 는통상의용액법으로코팅된박막의표면을전자현미경으로관찰한사진으로서 하부기판표면을제대로덮지못하고있을뿐만아니라막의균일도및치밀도도매우높다 반면에 는본연구에서개발된기술을통하여제조된박막의표면구조를관찰한것으로서 넓은면적에걸쳐균일하면서 치밀한표면제조가가능함을알수있음 - 10 -
연구자이력사항 1. 인적사항 성명 석상일 소속 한국화학연구원화학소재연구본부연구위원 전화 2. 학력 경북대학교화학과학사 서울대학교무기재료공학과박사 코넬대학교 재료공학과박사후연구원 3. 경력사항 영국서리학교방문연구원 스위스로잔공대방문연구원 한국화학연구원연구원 선임연구원 현재한국화학연구원책임연구원 현재성균관대학교에너지과학과교수겸직 4. 전문분야정보 무기 유기하이브리드재료합성 하이브리드태양전지제조 5. 핵심참여연구진정보제 1저자전남중 - 전남대학교화학과박사 (2013) - 한국화학연구원포스닥연구원 (2013~ 현재 ) 제 1 저자 ( 공동 ) 노준홍 - 서울대학교재료공학부박사 (2009) - 한국화학연구원선임연구원 (2011~ 현재 ) - 11 -