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▲ 고려대 화공생명공학과 임상혁 교수(왼쪽), 허진혁 연구교수 (사진=고려대) |
현재 차세대 고효율, 저가격 태양전지로 전 세계적으로 각광을 받고 있는 페로브스카이트 태양전지는 유/무기 금속할라이드 페로브스카이트를 사용하는 정구조의 태양전지로 유기물에 의한 내재적인 내구성의 한계와 실리콘 태양전지 위에 적층하여 초고효율을 갖는 탠덤 태양전지를 구성하기 어려운 구조적인 단점이 있다. 반면, 역구조의 무기페로브스카이트 태양전지는 무기 원소로만 구성되어 기존의 유/무기 페로브스카이트와 달리 내열성이 매우 우수하여 건물 창호 및 자동차용 파노라마 선루프에 적용되는 투명 태양전지 및 실리콘 태양전지 위에 적층하여 초고효율을 갖는 탠덤 태양전지로 적용이 가능한 차세대 태양전지이다.
기존의 무기페로브스카이트 태양전지는 높은 내열성을 가지지만 용해도가 낮고, 습도에 의한 상안정성이 불안정한 단점을 갖고 있어, 기존 스핀코팅 공정을 이용하여 대면적의 균일한 박막을 얻기 어려우며, 내광/내열/내습 특성이 우수한 태양전지의 제작이 어려운 단점이 있어, 상용화를 위해서는 반드시 해결해야 될 숙제로 남아 있다.
임상혁 교수 연구팀은 초음파 스프레이 공정을 이용하여 무기페로브스카이트의 낮은 용해도 문제를 해결하였으며 이를 통해 대면적의 균일한 무기페로브스카이트 박막을 제작하였고, 산화 MXene/페로브스카이트 복합층을 무기페로브스카이트층 위에 형성함으로써, 내구성 문제점을 개선했다.
특히, 산화 MXene/페로브스카이트 복합층은 무기페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 효과적으로 분리 및 이동 시킬 수 있고, 태양전지 내부 전 영역에서 효과적으로 전기장이 생성될 수 있도록 하며, 외부 산소 및 수분에 대한 보호층 (protection layer) 역할을 할 수 있어, 역구조 무기페로브스카이트 태양전지의 효율 및 내구성을 동시에 향상 시킬 수 있게 해 준다.
이번 연구를 주도한 허진혁 연구교수는 "이번에 개발된 산화 MXene/페로브스카이트 복합층을 가진 역구조 무기페로브스카이트 태양전지는 대면적 양산화가 가능한 스프레이 코팅 공정을 통해 제작되었으며, 25 cm2 의 미니모듈의 경우, 1000시간 동안의 내열/내습 가속 신뢰성 테스트 (IEC 61215 standard damp heat (85°C/85% RH) stability test for 1000 h) 후 10 % 미만의 열화가 일어나는 것으로 볼 때, 건물 창호 및 자동차 선루프용 투명 태양전지, 초고효율 실리콘/무기페로브스카이트 탠덤 태양전지, 그린수소 생산 등 탄소중립 사회 달성을 위한 상용화 기술에 폭넓게 사용될 수 있을 것으로 기대한다"고 연구의 의의를 밝혔다.
이번 연구성과는 과학기술정보통신부, 선도연구센터 지원사업 (ERC) 및 미래기술연구실 사업과 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업의 지원으로 수행되었다.
※ 논문정보
- 제목: Surface engineering with oxidized Ti3C2Tx MXene enables efficient and stable p-i-n-structured CsPbI3 perovskite solar cells
- 저자: 허진혁 연구교수(고려대/NREL, 제 1저자), Kai Zhu(NREL, 교신저자), 임상혁(고려대, 교신저자)
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▲ MXene 및 산화 MXene 결정 구조 및 샘플 투과전자현미경 사진 |
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▲ 무기 페로브스카이트 표면 전자현미경 사진 (위 왼쪽: 산화 MXene 복합층 無, 위 오른쪽: 산화 MXene 복합층 有) / 무기 페로브스카이트 표면 PL (photoluminescence) mapping 사진 (위 왼쪽: 산화 MXene 복합층 無, 위 오른쪽: 산화 MXene 복합층 有) |
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▲ 산화 MXene/페로브스카이트 복합층을 가진 역구조 무기페로브스카이트 태양전지 미니모듈 사진(왼쪽) 및 85oC/85% 상대습도 조건에서 1000 시간 동안 1 Sun 연속조사에 따른 미니모듈의 전류-전압 곡선 그래프(오른쪽) (자료=고려대) |
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