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Research

성능과 안정성 동시에 잡은 신개념 페로브스카이트 양자점 태양전지 개발

  • 조회. 178
  • 등록일. 2020.07.14
  • 작성자. 홍보팀

DGIST 김영훈 박사 연구팀, 수분과 결합하지 않는 페네실라모늄(PEA) 리간드를 도입한 페로브스카이트 양자점 태양전지 개발
빛에너지 전기발광 특성도 가져 건물일체형 태양광발전, 라이파이  개발 등에 기여할 것으로 기대

 

관련사진1. (왼쪽부터) 교신저자인 DGIST 김영훈 박사, 한양대 고민재 교수와 제1저자인 김지건 학생

▲(왼쪽부터) 교신저자인 DGIST 김영훈 박사, 한양대 고민재 교수와 제1저자인 김지건 학생

 

 DGIST는 에너지융합연구부 김영훈 박사 연구팀이 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능과 안정성을 높인 기술을 개발했다고 14일(화) 밝혔다. 빛에너지 전기발광 특성도 동시에 갖추고 있어 건물일체형 태양광 발전과 다기능성 광전소자, 라이파이1) 등 광기술 개발 및 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

 최근 신재생에너지 기술을 비롯한 태양전지의 관심이 높아지면서 양자점(Quantum dot)을 이용한 태양전지 연구가 활발하다. 양자점은 빛 흡수 능력이 뛰어나고 넓은 영역의 빛을 흡수하는 차세대 태양전지의 핵심 소재다. 특히 양자점 태양전지 분야에서 가장 높은 효율을 가진 페로브스카이트 양자점 태양전지는 빛을 전기에너지로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성을 동시에 갖기 때문에 다기능성 태양전지로 각광받고 있다. 

 우수한 페로브스카이트 양자점을 합성하기 위해서는 긴 탄화수소 체인을 가진 유기 리간드가 이용된다. 리간드는 10나노미터(nm)2) 정도의 작은 페로브스카이트 양자점들 표면에 흡착해 다양한 무극성 용매3)에 분산이 될 수 있게 한다. 이러한 양자점을 기판 위에 잘 배열시킴으로써 양자점 태양전지가 만들어진다. 이 때 양자점 표면에 흡착된 긴 체인의 리간드는 양자점 간의 전하이동을 어렵게 해 태양전지 성능을 저하시키기 때문에,  짧은 탄화수소 체인을 가진 리간드로 치환시키는 과정을 거쳐야 한다.

 이 때문에 기존에는 ‘포르마미디늄(Formamidinium, FA)’이라는 짧은 탄화수소 체인을 가진 리간드로 치환시켜 소자의 성능을 향상시킬 수 있었다. 하지만 포르마미디늄 리간드의 특성상 물과 잘 결합하고 습기를 잘 흡수하는 친수성(親水性) 때문에 공기 중 수분으로 인해 안정성이 현저히 감소하는 문제점들이 발생했다.

 DGIST 김영훈 박사 연구팀은 다양한 실험을 통해 벤젠 그룹 기반의 ‘페네실라모늄(Phenethylammonium, PEA)’리간드가 가진 물 분자와 잘 결합하지 않는 소수성(疏水性)에 주목했고, 이를 페로브스카이트 양자점 표면에 안정적으로 흡착시키는데 성공했다. 이를 통해 연구팀은 광전변환효율을 14.1%까지 향상시켰고, 약 15일 간 실제 외부환경과 같은 조건인 상대습도 20~25%에서 90%이상의 높은 광전변환효율을 유지하는 안정성도 추가로 확인했다.

 김영훈 박사는 “짧은 탄화수소 체인을 가지면서 소수성을 갖는 리간드를 도입해 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능 및 안정성을 동시에 향상시킬 수 있음을 최초로 규명했다”며, “차세대 양자점 태양전지 개발 및 실용화를 위한 새로운 패러다임을 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

 이번 연구는 한양대학교 화학공학과 고민재 교수 연구팀과 공동협력으로 진행했으며, DGIST 에너지융합연구부 김지건 위촉연구원 및 한양대학교 화학공학과 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했다. 아울러 에너지과학 분야의 세계적 학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 6월 15일자 온라인판에 게재됐다.

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1) 라이파이(Li-Fi) : 빛의 파장을 이용해 빠른 통신속도를 구현하는 새로운 무선통신기술. 와이파이(초속100Mb)보다 100배 가량 빠르다.
2) 나노미터(nanometer, nm) : 1나노미터(nm)는 10억분의 1m
3) 무극성 용매(nonpolar solvent) : 무극성 분자 또는 이것과 매우 가까운 한 분자로 되어 있는 용매로써, 벤젠, 헥산, 톨루엔 등을 예로 들 수 있다.

 

 

     연구결과개요  


Hydrophobic Stabilizer-Anchored Fully Inorganic Perovskite Quantum Dots Enhance Moisture Resistance and Photovoltaic Performance
Jigeon Kim, Sinyoung Cho, Filip Dinic, Jongmin Choi, Changsoon Choi, Soon Moon Jeong, Jong-Soo Lee, Oleksandr Voznyy, Min Jae Ko,* & Younghoon Kim* 
(Nano Energy, 15th June 2020)

 전무기계 CsPbI3 페로브스카이트 양자점의 표면화학 및 표면개질에 대한 기술의 발전과 함께 양자점 표면의 긴 탄화수소 체인 리간드를 짧은 리간드로 치환시킬 수 있는 기술이 성공적으로 개발됨에 따라 페로브스카이트 양자점 박막의 전하 이동 및 태양전지 성능을 향상시킬 수 있게 되었다. 지금까지의 연구는 친수성 및 습기를 잘 흡수하는 formamidinium (FA) 음이온을 짧은 리간드로 이용하여 왔으나, FA 이온은 페로브스카이트 양자점 표면으로 공기 중에서의 습도 침투를 용이하게 함에 따라 양자점 박막 안정성 및 태양전지 성능을 악화시키는 문제점을 유발해 왔다. 본 연구에서는 짧은 길이를 가지면서 벤젠그룹이 있는 리간드를 FA 대신 양자점 표면에 도입함으로써 페로브스카이트 양자점 박막 내에서의 전하이동 및 태양전지 성능을 향상시킬 수 있었고, 이와 동시에 소수성의 벤젠 그룹이 양자점 표면을 감싸고 있기 때문에 공기 중에서의 박막 및 소자 안정성을 극대화 시킬 수 있는 기술을 소개하고자 한다. 이를 위해 본 연구진이 이용한 리간드는 phenethylammonium (PEA)이며, 이 PEA 리간드는 페로브스카이트 양자점 표면에 있는 긴 탄화수소 체인의 리간드를 효과적으로 치환해냄으로써 양자점 박막 내에서의 전하이동 특성 및 공기 중에서의 안정성을 동시에 향상시킬 수 있었다. 이를 통해, 페로브스카이트 양자점 태양전지의 광전변환효율을 14.1% 까지 향상시킬 수 있었고, 또한 약 15일 동안 상대습도 20~25%인 공기중에서 약 90% 이상의 광전변환효율을 유지할 수 있음을 확인하였고, 또한 태양전지에 전기장을 인가하여 빨간색의 전기발광 특성을 가짐을 확인하였다. DOI 10.1016/j.nanoen.2020.104985

 

     연구성과문답  

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
페로브스카이트 양자점 태양전지와 관련된 기존의 연구는 효율성 향상에만 몰두되어 왔었다. 그러나 실용화 연구에 가까워지기 위해서는 소자 성능의 향상만큼이나 안정성의 확보도 매우 중요하다. 본 연구진은 페로브스카이트 양자점의 표면 화학 연구를 기반으로 하여 양자점 태양전지의 성능과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 방법을 개발하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
페로브스카이트 양자점은 현재 양자점 태양전지 분야에서 가장 높은 효율을 보이는 소재이다. 따라서 에너지 발전뿐만 아니라 IoT 등의 전력 공급원으로 충분히 이용될 수 있다. 또한 페로브스카이트 양자점 태양전지는 외부 전기를 인가하여 빛 에너지를 발광하는 전기 발광 특성을 동시에 갖는다. 따라서, 건물일체형 태양광 발전시스템 등의 다기능성 태양전지 분야뿐만 아니라, 무전력 디스플레이 구동, 와이파이 대신 빛을 정보신호로 이용하는 라이파이 등에 이용될 수 있을 것이라 기대 된다.

Q. 실용화를 위한 시간과 과제는?
태양전지로의 상용화를 위해서는 성능 및 안정성을 실리콘 태양전지를 뛰어넘을 수 있을 만큼 더욱 더 향상되어야 한다. 전 세계적으로 페로브스카이트 양자점 태양전지 연구를 시작하게 된지는 고작 3년밖에 되지 않았고, 이와 관련된 연구를 수행하는 연구그룹은 많지 않은 상황이다. 따라서 소재 자체에 대한 원천적 연구뿐만 아니라 소자의 성능 및 안정성을 더욱 향상시킬 수 있는 연구를 통해 머지않은 미래에 실용화가 가능할 것이라 기대된다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
페로브스카이트 양자점은 빛에너지 인가를 통해 전기에너지를 생성하는 태양전지, 전기 인가에 따른 빛에너지를 방출하는 발광다이오드 특성이 동시에 우수한 유일무이한 재료이다. 페로브스카이트 양자점을 이용한 단일 태양전지뿐만 아니라 단일 발광다이오드 연구는 수많은 연구 그룹에서 수행 중에 있지만, 본인은 에너지 생성과 전기 발광 특성을 동시에 가질 수 있는 단일 다기능성 광전소자를 구현해 보고자하는 측면에서 이 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
페로브스카이트 양자점 태양전지 구현을 위해서는 양자점의 리간드 교환이 필수적으로 수행되어야만 한다. 기존 연구는 친수성 및 습기를 잘 흡수하는 짧은 리간드를 이용하여 소자의 성능은 향상시킬 수 있었지만, 공기중에서의 안정성은 확보할 수가 없었다. 본 연구진은 짧은 탄화수소 체인를 갖는 소수성 리간드를 이용하여 페로브스카이트 양자점 태양전지의 성능 및 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 기술을 개발한 것이기 때문에, 앞으로 실용화 단계로 접근하는데 큰 도움이 될 것이라 기대 된다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
본 연구성과를 기반으로 페로브스카이트 양자점 태양전지 성능 및 안정성을 실리콘 태양전지에 버금갈 정도로 향상시킬 수 있는 연구를 계속 수행하여 실용화하는데 큰 기술적 이바지를 하고자 한다. 또한 페로브스카이트 양자점 태양전지 내에서의 전기발광 특성 연구도 같이 수행하여 단일 소자 내에서의 태양전지와 전기발광에 대한 상관관계 규명 및 이를 통한 빛에너지 전환을 자유자재로 할 수 있는 다기능성 광전 소재 및 소자와 관련된 연구를 계속 수행하고자 한다.


 

     그림 설명  


[그림 1] 페네실라모늄(PEA)리간드를 페로브스카이트 양자점에 도입한 데이터 모식도

관련사진2. 페네실라모늄(PEA)리간드를 페로브스카이트 양자점에 도입한 데이터 모식도

<그림설명> 
(a) 긴 탄화수소 체인의 유기물 리간드로 합성된 페로브스카이트 양자점을 짧은 탄화수소 체인을 갖는 소수성 리간드로 치환하는 과정을 나타내는 전체 모식도.(b) 퓨리에 변환 적외선 분광기를 이용하여 페로브스카이트 양자점의 리간드 교환이 일어남을 증명한 데이터이다. 짧은 리간드로 치환이 될수록 긴 탄화수소 체인에서 나타나는 분광 시그널이 감소함을 규명하였다.  
(c) 핵자기공명 분광기를 이용하여 알킬 체인 길이가 다른 벤젠 그룹 기반의 다양한 리간드 중에 phenethylammonium(PEA)만이 페로브스카이트 양자점 표면에 흡착됨을 표면화학적 기법으로 규명하였다.
(d) 밀도범함수이론 (Density functional theory)를 이용하여 알킬 체인 길이가 다른 벤젠 그룹 기반의 다양한 리간드 중에 PEA만이 페로브스카이트 양자점 표면에 흡착됨을 이론계적을 통해 규명하였다.

 


[그림 2] 짧은 소수성 리간드인 페네실라모늄(PEA)리간드가 도입된 페로브스카이트 양자점 태양전지 성능 및 안정성 평가

관련사진3. 짧은 소수성 리간드인 페네실라모늄(PEA)리간드가 도입된 페로브스카이트 양자점 태양전지 성능 및 안정성 평가

<그림설명> 
(a) PEA 분자 구조 및 PEA가 흡착된 페로브스카이트 양자점 구조를 나타내는 모식도.(b) 기존 연구에서의 formamidinium(FA) 리간드 및 본 연구에서의 PEA 리간드가 도입 된 페로브스카이트 양자점 박막을 상대 습도 30~35%인 상황에 안정성을 테스트한 결과 사진이다. FA 리간드가 도입된 기존의 페로브스카이트 양자점 박막은 보관 1일 만에 분해가 되었지만, PEA가 도입된 페로브스카이트 양자점 박막은 15일 동안 매우 안정하게 유지되고 있음을 나타낸다.
(b) 본 연구에서의 PEA 리간드가 도입된 페로브스카이트 양자점 태양전지의 모식도 및 성능 그래프를 나타낸다. 페로브스카이트 양자점 태양전지는 광전변환효율 14.1%의 높은 효율을 보이면서, 이와 동시에 전기 인가를 통해 전기발광을 하는 특성을 갖는다.

 

 

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