10월 과학기술인상, 울산과학기술원 양창덕 교수 선정

- 차세대 태양전지의 안정성과 효율성을 함께 해결한 핵심소재 개발

과학기술정보통신부(장관 임혜숙, 이하 ‘과기정통부’)와 한국연구재단(이사장 이광복, 이하 ‘연구재단’)은 이달의 과학기술인상 10월 수상자로 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 양창덕 교수를 선정했다고 지난달 6일 밝혔다.
  ‘이달의 과학기술인상’은 우수한 연구개발 성과로 과학기술 발전에 공헌한 연구개발자를 매월 1명씩 선정하여 과기정통부 장관상과 상금 1천만 원을 수여하는 시상이다.
  과기정통부와 연구재단은 양창덕 교수가 다양한 초고성능 유기반도체 소재와 소자 제작기술을 확보하고, 효율성과 안정성을 동시에 갖춘 페로브스카이트1) 태양전지를 개발하여 차세대 반도체 기반 미래산업의 발전과 국가 경쟁력 강화에 기여한 공로를 높게 평가했다고 선정 이유를 밝혔다.
  인공지능(AI), 자율주행, 사물인터넷, 디지털의료 등 4차 산업혁명의 근간이 되는 반도체 기술의 패권 경쟁이 갈수록 치열한 가운데 10월 반도체의 날을 맞아 차세대 유기 반도체 소재와 장치 개발에 매진해온 양창덕 교수의 수상이 더욱 뜻깊다.
  양창덕 교수는 페로브스카이트 태양전지 상용화의 걸림돌로 지목되어온 수분 취약성과 효율성을 문제를 동시에 해결할 수 있는 새로운 정공 수송층2) 물질을 개발하였다. 연구팀은 정공 수송층을 이루는 스파이로 물질에 불소(F)를 도입하는 간단한 방법으로 수분 안정성과 고효율을 동시에 잡았다. 신규 물질을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 실험결과 논문으로 보고된 최고 수준의 효율인 24.82%을 나타냈으며, 상용화 가능성을 확인하기 위해 제작한 1cm2 대면적 소자에서도 22.31%의 고효율을 달성하였다. 또한 500시간 고습도 환경에서 진행한 안정성 시험에서 초기 성능의 87% 이상을 유지하는 것을 확인했다. 연구 결과는 2020년 9월 사이언스(Science)지에 게재됐다. 
  양창덕 교수는 “이번 연구는 차세대 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 효율의 문제를 동시해 해결한 핵심 소재를 독자적으로 개발한데 의의가 있다”라며, “우리나라의 유기 반도체 소재분야의 기술력을 높이고 차세대 태양전지의 상업화를 가속화하는데 이바지 할 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

[주요 연구성과]

<차세대 페로브스카이트 태양전지 핵심소재 독자개발>

[그림 1] 기존 스파이로 물질 (Spiro-OMeTAD) 및 신규 개발된 불소가 도입된 스파이로 물질(Spiro-mF, Spiro-oF)의 화학 구조.

ㅇ 불소원자를 도입하는 간단한 방식으로 신규 정공 수송층 물질
유기소재에 플루오린(F) 원자를 도입하여 얻을 수 있는 다양한 장점(에너지 레벨 하강, 분자 간 밀착구조 강화, 소수성)에 주목하여, 기존 고성능 정공수송층 유기소재인 스파이로 물질(Spiro-OMeTAD)에 플루오린 도입 전략을 세웠다. 또한 플루오린 원자의 도입 위치에 따른 특성 변화를 비교하기 위하여 분자식은 같지만 분자 내 원자들의 연결 상태가 다른 두 가지 구조 이성질체인 신규 정공 수송층 소재 Spiro-mF 및 Spiro-oF를 개발하였다. 개발된 신규 소재들은 낮은 HOMO(가장 높은 점유된 분자궤도함수) 레벨로 페로브스카이트 광활성 층에 최적화된 에너지 레벨을 보유하여 태양전지의 개방전압을 높이는 데 영향을 주었다.

[그림 2] (A) Spiro-OMeTAD 기반 태양전지 및 새로 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF) 기반 태양전지의 성능 비교. (B) 개발된 유기 정공수송층 물질(Spiro-mF)이 적용된 태양전지 소자의 안정성 향상

ㅇ 개발된 소재를 기반으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 성능 비교
개발된 유기반도체 소재 기반 페로브스카이트 태양전지는 최고 광전변환효율 24.82%를 달성하였고, 미국 뉴포트(Newport) 사에서 24.64%의 효율로 공인 인증됐다. (인증된 소자는 1.18V의 개방전압으로 0.3V의 낮은 전압손실을 보였음. 이는 지금까지 이론적으로만 달성 가능한 것으로 여겨졌던 수치이자 현재까지 보고된 페로브스카이트 태양전지 전압손실 중 최저값임) 상용화 가능성 확인을 위해 제작한 1 cm2 대면적 소자에서도 22.31%의 고효율을 달성하였고, 안정성 테스트에서도 초기성능의 87% 이상을 지니는 우수한 안정성을 보였다. 그 동안 양립하기 어려웠던 수분안정성과 효율 문제를 기존 스파이구조 물질에 불소 원자를 도입하는 방식을 통해 동시에 해결한 매우 획기적인 연구로 평가 받는다.

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