미래창조과학부(장관 최양희)는 국내 연구진이 세계 최고 효율(17.9%)의 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 구조와 제조 공정 기술을 개발하였다고 지난달 10일 밝혔다. 이번 연구는 저렴한 화학소재와 손쉬운 공정으로 값싸게 실현하여 기존에 상용화되어 있는 실리콘 태양전지에 필적하는 고효율 태양전지를 저가로 제조할 수 있는 길을 찾았다.
미래창조과학부가 추진하는 글로벌프론티어사업의 멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수) 및 글로벌연구실사업과 한국화학연구원의 KRICT 2020 사업의 지원으로 수행되었고, 한국화학연구원 석상일 박사(성균관대학교)가 주도하고 전남중 박사, 노준홍 박사 등이 공동으로 수행하였다.
연구결과는 Nature Materials 紙 7월 6일(일)자 온라인판에 ‘Solvent-engineering for high performance inorganic-organic hybrid perovskite solar cells’제목으로 게재되었다.
현재 상용화된 실리콘 태양전지는 20% 가량의 효율을 갖지만, 고난도의 제조 공정에 따른 높은 가격 때문에 화석연료로 생산된 전기와 경쟁하기에는 무리가 있다. 이에 대한 대안으로 다른 소재를 사용한 태양전지에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 그중 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 2012년부터 본격적으로 연구되기 시작했다.
연구팀은 2013년 초, 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플랫폼 기술을 개발(Nature Photo-nics ’13.5.5)하였고, 이번 연구는 그 연장으로 무·유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 핵심요소인 매우 균일하고 치밀한 박막을 제조하기 위해, 해당 태양전지의 구조를 구명하고 값싸면서도 손쉬운 공정 기술을 개발하였다. 더 나아가서 값싼 무·유기물로 기판을 구성하고, 개발한 공정 기술로 균일하고 치밀한 페로브스카이트 박막을 기판에 입힘으로써 세계 최고 효율을 가진 무·유기물 하이브리드 페로브스카이트 태양전지를 제조하였다.
연구팀이 수행한 연구결과는 태양전지의 효율을 공식적으로 공인하는 미국 재생에너지연구소(NREL)의 태양에너지 효율 기록지에 세계 최고의 효율로 연속 등재(2013년 16.2%, 2014년 17.9%)되어 그 결과의 우수성이 객관적으로 검증되었다.
연구팀은 “이번 연구는 그 동안 효율 향상에 어려움을 가지고 있던 차세대 태양전지의 효율을 획기적으로 향상시키고 기존 태양전지에 비하여 1/3 이하의 가격으로 제조가 가능한 기술로서, 고효율과 저가라는 두 가지 화두를 모두 만족하면서 고유 기술로 이루어진 성과이다. 향후 대면적 스케일의 연속 코팅 공정을 위한 핵심 소재 개발과 상용화 공정 기술 개발을 통해 실용화가 이루어질 경우 현재 사용하고 있는 화석연료와 가격 경쟁이 가능할 것으로 기대된다.”라고 밝혔다.

[ 연 구 결 과 개 요 ]

1. 연구배경
태양전지는 핵심 소재에 따라 실리콘과 같이 무기 반도체소재로 이루어진 n-p 다이오드형 태양전지와 유기물질과 무기물질을 포함하고 있는 엑시톤 생성-분리형인 유기고분자, 염료감응 태양전지 및 무/유기 하이브리드 태양전지로 나눌 수 있다. 그러나 현재 약 90% 이상 사용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지는 효율이 높지만 고도의 기술과 다량의 에너지가 필요하여 가격이 고가인 문제점이 있으며, 유기 및 염료감응 태양전지는 여전히 효율이 낮아 대규모적인 상용화에 어려움을 가지고 있다. 2012년부터 본격적으로 연구되기 시작한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 짧은 연구 역사에도 불구하고 기존의 유기 및 염료 감응태양전지의 효율을 넘고 있다.
본 연구에서는 2013년 초 Nature Photonics지에 보고한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 플렛폼 기술에 바탕하여, 매우 균일하고 치밀한 2층 구조의 태양전지를 용액법으로 제조하는 기술을 개발하였다. 아울러 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 구조와 측정 방법에 따라 전류-전압 (I-V) 곡선이 hysteresis를 가지고 있음을 보고하고, 이를 최소화 할 수 있는 방법론 및 치밀하고 균일한 막막 생성 원리를 규명하게 되었다.

그림 1. 균일하고 치밀한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막 제조 공정도

그림 2. 균일하고 치밀한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막이 제조되는 원리에 대한 개념도

그림 3. 다공성 TiO2 층이 없는 구조 (a)와 최적 두께로 존재하는 경우 (b) 스캔 방향에 다른 전류-전압 (I-V) 곡선의 hysteresis가 다르며, TiO2 층 두께의 함수로 나타낸 스캔 방향에 따른 효율 차이를 나타낸 그림(c)

2. 연구내용
본 연구에서 개발한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 투명전극(FTO)이 코팅된 유리 기판, 70nm의 치밀한 TiO2 박막, 약 200nm의 다공성 TiO2 막 (무기물질), CH3NH3PbI3에 10~15mol%의 CH3NH3PbBr3가 도입된 광흡수 물질, Poly-triarylamine (PTAA)로 홀전도성 고분자 및 Au 전극으로 이루어져 있다.
용매 엔지어링에 의한 균일하고 치밀한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 박막 제조 방법 개발 및 이에 다른 생성 원리 규명하였다.  무/유기 하이브리드 페로브스카이트 물질은 용매가 증발함에 따라 바로 고체형 결정성 박막이 생성되어 균일하며, 치밀한 박막 제조가 매우 어려운 물질이다.
본 연구에서는 그림 1에 보인 박막 제조 공정도에서 볼 수 있는 바와 같이 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 물질의 반응성을 조절할 수 있는 용매의 사용과 코팅 공정 중에 새로운 유기 용매를 떨어지게 하여, 반응성이 제어된 중간상을 고정화 하는 매우 독특한 방법을 보고하고 있다. 또한 치밀한 박막 제조에서 핵심적인 요소로서, 반응성이 제어되는 중간물질을 분리/분석 하여 균일한 박막 제조를 위한 원리를 규명하고, 그 경로를 그림2와 같이 제안하였다.
무/유기 하이브리드 페로브스카이트 소재는 태양전지 구조에 따라 전류-전압 (I-V) 곡선이 스캔 방향에 따라 큰 hysteresis를  가질 수 있음을 보고하고, 이를 최소화 할 수 있는 방법론을 제안하였다. 
그림 3에서 보는 바와 같이 광양극으로 사용하는 다공성 TiO2 층의 두께가 따라 전류-전압 (I-V) 곡선으로부터 얻어진 효율이 스캔 방향에 따라 큰 차이를 보이고 있음을 알 수 있다. 이 현상을 최소화하여 고효율 태양전지를 제조하기 위해서는 광양극인 다공성 TiO2에 충진된 층과 그 위에 형성된 순수 페로브스카이트 층의 비율이 매우 중요하다는 것을 제안하였다.

그림 4. 본 연구에서 제안되고 구현된 다층 구조

3. 기대효과
이번 연구는 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지를 제조하기 위한 핵심 구조를 제안하고, 이를 위한 공정을 실재로 구현하여 세계 최고 효율의 태양전지 제조 기술을 확보하게 되어 실재 산업적으로도 활용이 기대된다. 또한 무/유기 하이브리드 페로브스카이트 소재를 활용한 태양전지가 보이는 특이한 거동을 보고하고, 균일하고 치밀한 박막 제조 원리를 규명하여 이 분야의 학문 발전에도 큰 할용이 기대되고 있다.

석상일 박사
1978~1982 경북대학교 화학과 학사
1989~1995 서울대학교 무기재료공학과 박사
1996~1997 코넬대학교, 재료공학과 박사후 연구원 (PostDoc)
2003~2003  영국서리학교 방문연구원
2006~2007  스위스 로잔공대 방문연구원
1982~1997  한국화학연구원 연구원, 선임연구원
1998~현재  한국화학연구원 책임연구원
2013~현재  성균관대학교 에너지과학과 교수 겸직

노준홍 박사
2009 서울대학교 재료공학부 박사
2011~현재 한국화학연구원 선임연구원

= 용 어 설 명 =
1. 실리콘태양전지
- 전자(n)-정공(p)의 무기 반도체를 p-n으로 서로 접합하였을 때 반도체의 금지대폭(Eg : Band-gap Energy)보다 큰 에너지를 가진 태양광이 입사되면 전자-정공 쌍이 생성되는데, 이들 전자-정공이 p-n 접합부에 형성된 전기장에 의해 전자는 n층으로, 정공은 p층으로 모이게 되는 원리로 동작하는 태양전지
- 광석으로부터 매우 고순도의 태양전지용 실리콘을 제조하기 위하여 대규모의 투자와 에너지 다소비로 제조 비용이 고가임

2. 유기태양전지
- 태양광을 흡수하여 전자-정공을 생성하는 고분자 재료에 전자흡수능력을 가진 물질을 결합하여 제조되는 태양전지
- 화학합성과 인쇄공정의 적용이 가능하여 저가로 제조가 가능하지만, 효율과 광안정성이 낮은 단점이 있음

3. 염료감응태양전지
- 식물의 광합성 원리를 모방한 태양전지로, 전자(n) 전도성 지지체 위에 태양광을 흡수하는 염료를 부착하여 태양광 흡수로 생성된 전자-정공 쌍이 전자전도체-홀전도체 계면에서 분리되어 전자와 홀이 외부 회로로 흐르게 하여 동작하는 태양전지
- 효율이 비교적 높고 저가로 제조 가능하지만, 액체전해질 사용으로 장기적으로 사용하는데 안정성 문제가 있음

4. 페로브스카이트 (perovskite) 결정 구조
- 천연광물인 CaTiO3와 같은 결정 구조를 갖고 있는 AMX3 화합물에 대하여 러시아 과학자인 페로브스키를 기념하여 페로브스카이트 화합물이라고 부름. 여기서 A, M은 금속 양이온이고 X는 할로겐화물(halide) 또는 산화물(oxide)을 포함하는 음이온.
- AMX3 구조는 정육 면체 단위격자의 꼭짓점에 크기가 큰 양이온(A)이 있고(8×1/8) 가운데 크기가 A에 비하여 상대적으로 작은 양이온(M)이, 각 면 중앙에 음이온(X)이 존재하는(6×1/2) 구조다. 페로브스카이트는 A와 B, X에 어떤 원자(또는 작용기) 가 있느냐에 따라 수백 가지 종류가 알려져 있으며, 압전, 유전 등 다양한 특성을 가지고 있기에 산업적으로도 널리 활용되고 있는 물질임