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Title [한국연구재단] (연구성과) 드라이룸 탈출한 페로브스카이트 태양전지

드라이룸 탈출한 페로브스카이트 태양전지
수분저항 복합 반용매 세척기법으로 습윤환경에서 페로브스카이트 광활성층 제작

 

□ 외부 공기를 차단한 글로브박스나 습도를 제어한 드라이룸이 아닌 사람들이 쾌적하다고 느끼는 정도의 습윤환경에서도 페로브스카이트 태양전지 제작이 가능하다는 실마리가 나왔다.
○ 엄격한 제조환경(드라이룸 혹은 질소 글러브박스)은 설비투자 비용을 높이는 요인으로 상용화의 걸림돌이 될 수 있다.
※ 페로브스카이트 태양전지 : 실리콘이 아닌 페로브스카이트 물질을 광흡수층으로 사용하는 태양전지. 최고효율은 25.5%(복합 양이온 페로브스카이트 태양전지)로 실리콘 태양전지(26.7%)에 버금가는데다 간단한 용액법으로 제작할 수 있다. 태양광 입사각에 따른 효율변화가 작지만, 대면적화, 장기안정성, 제조설비 등이 상용화의 과제로 남아있다.
페로브스카이트 : ABX3(A=유기물, B=무기물, X=할라이드족) 결정구조를 갖는 물질

□ 한국연구재단은 이만종 교수(건국대학교) 연구팀이 고효율 페로브스카이트 태양전지를 일반 습윤 대기 환경(상대습도>40%)에서 제작할 수 있는 새로운 반용매 세척법을 개발했다고 밝혔다.
※ 반용매 세척(anti-solvent washing) : 페로브스카이트 성분물질이 용매에 녹아있는 용액으로부터 용매만을 휘발시켜 광활성층으로 쓰일 박막형태의 페로브 스카이트를 얻는다. 휘발과정을 적절히 조절하기 위해 반용매를 분사하는 것을 반용매 세척이라 한다.

□ 페로브스카이트 전구체 용액의 용매를 제거하여 빠른 페로브스카이트 결정화를 유도하는 공정(반용매 세척법)이 널리 이용되지만 엄격히 통제된 조건에서만 이뤄졌다.
○ 높은 습도에서는 전구체 용액이 수분과 결합하면서 고품위 페로브스카이트 결정 형성을 방해하기 때문이다.

□ 이에 연구팀은 습도에 따른 영향을 상쇄하기 위해 서로 상보적인 낮은 증기압 특성과 낮은 끓는점 특성을 갖는 다이부틸에터와 다이에틸에터가 혼합된 반용매로 용매를 제거하는 공정을 개발했다.
○ 기존 용매제거에 쓰이던 클로로벤젠과 다이에틸에터가 습윤환경에서 빠르게 증발, 페로브스카이트 광활성층의 변형이나 스트레스를 초래하던 것을 극복하기 위한 것이다.

□ 실제 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 습윤 대기 환경하에서 제작된 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율(22.06%)과 안정성(1,200시간 후 초기효율의 94% 유지)을 나타냈다.
○ 나아가 연구팀은 페로브스카이트 박막 제작과정에서 수분과의 반응이 박막 표면에 요철을 발생시키며 이 요철로 인한 전하이동도 저하가 태양전지 효율 감소로 이어지는 것을 규명해 냈다.

□ 이만종 교수는 “엄격히 조절된 환경 제약에서 탈피하여, 습윤 환경조건에서도 고효율 페로브스카이트 태양전지 구현이 가능함을 제시하였다”고 밝혔다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 기본연구사업의 지원으로 수행된 이번 결과는 에너지/소재 분야 국제학술지 나노 에너지(Nano Energy)에 2021년 7월 30일(온라인) 게재되었다.
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국내 기술동향
Category Tech trends(Korea)
Source 한국연구재단
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