페로브스카이트 구조를 이용한 새로운 패러다임의 태양전지 · 신진연구자...
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신진연구자 칼럼
NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 35, No. 2, 2017 … 203
1. 서론
최근 우리나라의 대기오염이 심각한 사회적 이슈
가 되어 작년에 미국 항공우주국(NASA)과 공동으로
우리나라 미세먼지 농도 등 대기오염 정도를 조사한
바 있다. 조사결과는 가희 충격적이었다. “한국의 대
기오염은 매우 위험한 수준”이라는 결과보고가 나왔
다. 그 이유로 무분별한 화력발전소 가동과 도심에
서 운행 중인 차량이 원인이라고 규정하였다. 이처럼
화석연료 사용에 따른 심각한 문제점과 앞으로 고갈
될 화석에너지원을 대체하기 위한 청정 에너지자원
의 필요성이 부각되면서 신재생에너지에 대한 중요
성이 세삼 절실하다. 특히 11개의 신재생에너지 중에
서 무한한 자원보고인 태양광을 전기 에너지로 바꾸
는 태양전지는 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받
아 왔다. 하지만 현재 상용화 되고 있는 대부분의 태
양전지는 결정질 실리콘 기판을 사용하여 만든 1세대
태양전지로 제작공정이 복잡하고 고순도 실리콘 원
료의 필요성으로 인한 높은 제조 단가 때문에 경제성
확보에 어려움을 겪고 있다. 또한 2세대 태양전지라
불리는 무기반도체 박막기반의 고효율 태양전지 역
시 watt당 생산단가가 높은 단점이 있다. 이에 반해,
유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가
공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경
제성은 높으나, 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전
변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져
상용화에 어려움이 있다. 특히 낮은 효율의 단점을
극복하기 위해서 1990년대 발견된 염료감응형 태양
전지가 꾸준히 연구되어 왔으나 그림1에서처럼 2000
년대 접어들어 효율증가가 답보상태에 도달하였다.
많은 연구자들의 새로운 태양전지 연구에 대한 갈망
은 2009년 일본의 Toin 대학의 Miyasaka 그룹에서 페
로브스카이트(페롭) 구조 물질을 이용하여 3.8% 광전
효율의 태양전지로 처음 구현이 되었다[1]. 특히 페롭
구조의 태양전지는 초기의 낮은 광전효율에도 불구
하고 7년 만인 2016년 22.1% 의 높은 효율을 보일정도
로 급격한 기술 진보를 보였다. 그리고 앞으로도 30%
이상까지 효율이 상승할 것으로 예상되는 혁신적인
차세대 태양전지이다[2].
2. 본론
페로브스카이트의 정의와 태양전지 원리
페로브스카이트(페롭)라는 말은 19세기 초 러시
페로브스카이트 구조를 이용한 새로운
패러다임의 태양전지
서형기
전북대학교 화학공학부
2000 전북대학교 화학공학부 공학사
2006 전북대학교 화학공학부 공학박사
2008 콜로라도 주립대학교 화학과 Research Associate
현재 전북대학교 화학공학부 조교수
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아 우랄산맥에서 CaTiO3를 처음 발견한 광물학자
Perovski의 이름에서 유래되었다. 그림2에서 보는 바
와 같이 이 광물의 결정구조는 ABX3(A와 B는 양이
온, X는 음이온)의 화학식으로 구성되어 있다. 양이
온인 A와 B는 음이온 X와 결합하는데, A 양이온은
12개의 X 음이온과 배위하여 입방 팔면체 구조를 형
성하고, B 양이온은 6개의 X음이온과 팔면체 구조
로 결합하고 있다. 그후 1978년 D. Weber에 의해서
기존 CsPbX3(X Cl, Br, or I) 대신 CH3NH3PbX3 으
로 치환하는 연구결과가 있었다[3]. 하지만 태양전지
에 이용되기 전까지의 페롭 물질들은 주로 강유전체
나 초전도 물질에 주로 사용되어 왔다[4]. 최근 태양
전지의 소재로 뜨거운 관심을 받고 있는 페롭 물질
은 A 양이온 자리에는 유기물 양이온(메틸암모니움
(MA:CH3NH3) 또는 포름아미디니움(FA:HC(NH2)2)를,
B 양이온 자리에는 금속 양이온 (Pb2+ 또는 Sn2
+)을, X
음이온 자리에는 할로겐 음이온 (Cl-, Br-, I-)으로 각
각 구성되어 있으며 3차원 구조의 유무기 복합구조로
형성되어있다. 이러한 다양한 물질로 구성된 ABX3
구조에서의 다양한 페롭물질들(MAPbBr3, MAPbI3,
FAPbI3, MAPb1-xSnxI3, and MASnI3: X=0.25, 0.5, 0.75,
and 1)의 밴드갭 에너지가 1.17 eV에서 2.3 eV 정도이
므로 태양전지의 흡광 물질로 매우 적합하다[5].
페롭 태양전지의 원리는 그림 3에서처럼 염료감
응형 태양전지의 특징과 유사하게 보통 전자전달체
(ETM; 금속산화물), 광흡수체(페롭), 홀전달체(HTM;
Spiro-OMeTAD)를 기반으로 구성되어 있으며, 화합
물박막태양전지와 유사한 원리인 다층구조의 나노스
케일 무기반도체 광흡수체를 이용한 p-n 접합형 태
양전지를 기반으로 구성하고 있다는 것이 특징이다.
구성은 염료감응형 태양전지(dye-sensitized solar cells,
DSSC)처럼 미세한 기공(mesopore)을 포함하는 반도
체 물질을 광전극으로 이용하므로 그 재료와 공정
이 저렴하다는 장점과 박막태양전지처럼 다중층 태
양전지용의 장점을 동시에 가지므로 그 중요성이 증
대되고 있다. 또한 단일성분의 하이브리드 페롭 물
질 대비 복합성분의 혼합 하이브리드 페롭 물질의 장
그림1. 최근 40년간 태양전지의 효율 변화.
그림 2. 페롭 구조의 개략도.
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점은 생성된 전하의 확산거리가 10배 이상 더 크다
는 것이다 예를 들어, MAPbI3의 경우 전하의 확산거
리는 ~100nm 정도인데 반해 MAPbI3-xClx의 확산거
리는 ~1000nm로 알려져 있다. 따라서 생성된 전하의
charge collection 효율 및 소자의 두께 편차에 따른 재
현성 측면에서 혼합 하이브리드 페롭 태양전지가 단
일성분의 하이브리드 페롭 태양전지보다 장점을 가
진다.
페롭 태양전지 제법과 구조
페롭 태양전지 제조에서 MAPbI3 페롭 필름을 형
성하는 과정은 일반적으로 2가지 방식의 스핀 코
팅법을 이용한다. 그림 4에서처럼 먼저 one-step 방
식에서는 N,N-dimethylacetamide(DMA)안에서 PbI
와 MA(CH3NH3)I와 섞은 후, TiO2 기판위에 PbI2
와 CH3NH3I를 혼합 용액을 한번에 떨어뜨려 회전
방식으로 증착하는 반면, two-step 방식에서는 먼저
N,N-dimethylformamide(DMF)용액에 용해된 PbI2와
isopropyl alcohol(IPA)용액에 용해된 CH3NH3I를 TiO2
기판위에 각각 순차적으로 떨어뜨려 증착한다. One-
step 방식의 경우에는 제작이 간단하다는 장점이 있
지만, 기판의 표면 모폴로지 제어의 어려움과 페롭
물질의 결정 크기 조절이 어렵다는 단점을 지니고 있
다. 이에 반해 two-step 코팅법은 one-step 방식에 비
해 공정측면에서 복잡하다는 단점을 지니고 있지만,
페롭 물질의 결정 크기조절을 통한 태양전지 효율에
적합하다.
홀전도체(HTM)의 개발
표 1에서 보이듯, 페롭 태양전지를 위한 다양
한 홀전도체(HTM)에 관해서 크게 4개의 연구 분
야- 유기 저분자(organic small molecules or small
organic molecules: SOMs), 유기 스피로분자((2,2’,7,7’
-tetrakis- (N,N-di-p-methoxyphenyl amino)-9,9’
-spirobifluorene(Spiro-OMeTAD))), 유기고분자
(polymer), 무기소재(inorganic materials)-에서 활발하
게 진행되고 있다. 그중에서 페롭 태양전지에서고효
율의 특성 덕분에 가장 많이 활용되고 있는 홀전달체
는 스피로(Spiro-OMeTAD) 물질이다. 하지만 재료가
매우 고가이며 습도에 취약하다는 단점을 지니고 있
기 때문에 페롭 태양전지의 상용화에 많은 걸림돌이
되어서 현재까지 수분 등의 습도에 취약한 성질 개선
과 열적 안정성 관련하여 많은 연구가 진행 중에 있
다. 유기저분자(SMOs)의 경우에는 다른 물질과의 용
해도가 높고 결정성이 좋으며 분자의 크기를 조절할
수 있어서, 기존 고분자 물질에 비해서 공학적으로
훨씬 쉽게 합성가능하며 밴드갭 조절이 용이하다는
장점을 지니고 있다. 또한 SOMs는 용해도가 높아서
광학적 흡수도가 높기 때문에 소량의 물질에도 많은
빛의 양을 흡수 할 수 있다는 매력을 지니고 있다.
고효율 및 유연 구조의 페롭 태양전지 설계
페롭 태양전지의 효율이 2009년 3.8%에서 2011년
6.5% 도달할 때까지 사실상 페롭 태양전지에 대해서
그림 3. 페롭 태양전지 구조의 개략도.
그림 4. MAPbI3 페롭 물질 형성을 위한 one-step과 two-step 스핀코팅 공정 [6].
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많은 관심을 갖지 못했다. 왜냐하면 전해질로 사용되
는 극성액체로 인해 CH3NH3PbI3(MAPbI3)의 용해도
높아서 장기 안정성이 떨어지는 치명적인 단점이 있
었기 때문이다. 그러나 2012년 안정성을 보완한 고체
형 전해질을 이용한 광흡수 물질(CH3NH3PbI3)과 홀전
도체(Spiro-OMeTAD)로 9.7%의 광전효율을 갖는 페
롭 태양전지를 개발하게 된 이후[8] 페롭 태양전지에
관한 연구는 폭발적으로 증가하여 다양한 페롭 소재
(MAPbI3, MAPbI3-xClx, MAPbBr3, MAPb(I,Br)3, FAPbI3,
MASnX3, MASn0.5Pb0.5I3)와 접합 구조에 따른 태양전지
효율 측정이 보고되었다[5]. 2016년에는 22.1%이라는
고효율 페롭 태양전지의 연구결과가 발표되는 등 페
롭 물질의 우수성이 많이 증명되었다[ 9].
유기태양전지는 태양광을 흡수하여 전자(Electron)
와 정공(Hole)을 형성하는 광활성층(Active layer)이라
불리는 유기물층(고분자 물질)과 태양광을 받아 전자
를 내놓는 ‘전자주게물질’(Donor)과 전자를 받아서 전
극으로 전달해주는 ‘전자받게물질’ (Acceptor; PCBM:
탄소나노물질)의 혼합층 (탄소복합구조)으로 이루어
졌다. 그러나 유기태양전지는 공정과정에서 촉매 물
질의 잔여물이 남아있음으로써 빛을 전기 에너지로
바꿀 수 있는 양을 저하시키는 단점이 있는 반면에,
고분자 물질을 사용함으로써 유연 구조의 태양전지
를 만들어 활용할 수 있다는 장점을 지니고 있다. 이
러한 유연 구조의 유기 태양전지의 장점과 고효율의
특성을 가진 박막태양전지 장점을 결합한 고효율 유
연구조를 페롭 태양전지에 적용하는 연구가 많이 시
도되었다. 예를 들어 기판을 ITO glass 대신 ITO PET
Table 1. Summary of the highest-performing HTMs[7]
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을 사용함으로써 유연성을 가능케 하거나, 유기태양
전지에서 사용한 방식인 전자받게 물질로 PCBM 전
자주게 물질로 PEDOT:PSS 등을 활용하는 방법 등이
다. 그림 5는 유연기판의 특징을 가진 페롭 태양전지
를 총괄 효율에 따라 정열 하였다. 유연성을 가짐과
동시에 높은 총괄 효율을 보이고 있는 점에서 앞으로
많은 잠재 가능성 있을 것으로 예상된다.
3. 결론
페롭 태양전지는 높은 에너지총괄 효율뿐만 아니
라 기판을 자유롭게 이용할 수 있는 유연특성을 갖는
등 많은 활용 잠재력을 가지고 있으며, 또한 2016년
12월 한국과학기술단체총연합회(KOFST)가 주관하
는 올해의 10대 과학기술뉴스에 선정되는 등 차세대
전도유망한 연구 분야이다. 최근에는 그동안 단점으
로 지적되어 온 습도에 따른 안정성문제에 대해서 소
수성 고분자로 코팅해서 수분의 침투를 해결하려 하
였고, 빛에 의한 안정성문제에 대해서는 불소중합체
를 활용하여 해결하는 등 많은 연구결과가 발표되고
있으나 여전히 태양전지 작동시 온도에 따른 광 안정
성, 열적 안정성 문제, 납(Pb)의 독성문제 등 해결해
야 할 것들이 많이 있다. 따라서 앞으로 실용화를 위
해서는 지속적인 연구와 사업화가 필요한 실정이다.
4. 참고문헌
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9. http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.png10. B. Susrutha,a Lingamallu Giribabuab and Surya
Prakash Singh, Chem. Commun., 51, 14696 (2015).
그림 5. 유연기판의 페롭 태양전지의 총괄 효율[10].