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Research

납이 없는 친환경 태양광 소재 조성 기술 개발

  • 조회. 182
  • 등록일. 2021.11.23
  • 작성자. 대외협력팀

차세대 태양광 소재로 각광받는 '안티모니 칼코아이오다이드' 조성 제어 핵심 기술 개발

향후 비납계 태양전지 개발에 기여할 것으로 기대돼

 

[(왼쪽부터)DGIST 에너지융합연구부 최용찬 선임연구원, 정강원 전임연구원]

 

 DGIST(총장 국양) 에너지융합연구부 최용찬 박사팀이 차세대 태양광 소재로 각광받고 있는 안티모니 칼코아이오다이드(Antimony chalcoiodide, Sb(S,Se)I)의 조성을 제어할 수 있는 핵심 기술을 개발했다. 향후 납을 포함하지 않는 차세대 비납계 태양전지 개발에 긍정적인 영향을 줄 것으로 기대된다.

 최근 들어, 실리콘에 버금가는 높은 성능과 제작의 편리성을 갖는 납(Pb)을 기반으로 한 페로브스카이트 물질이 차세대 태양전지 소재로서 각광받고 있다. 하지만 납(Pb)의 유해성은 상용화에 있어 큰 걸림돌이다. 따라서 비()납계 태양광 소재인 안티모니 칼코아이오다이드 소재가 대표적인 대체재로 각광받고 있지만, 관련 연구는 초기 단계에 머물러 있는 것이 현실이다.

 이에 DGIST 에너지융합연구부 최용찬 박사팀은 2단계로 나눠진 용액공정을 통해 안티모니 칼코아이오다이드의 조성을 제어할 수 있는 소재를 개발하는데 성공했다. 최 박사팀은 첫 번째 단계에서 안티모니 칼코게나이드(Sb2(S,Se)3)를 제조, 2단계에서 이를 삼아이오딘화안티모니(SbI3)와 반응시켜 안티모니 칼코아이오다이드로 변환시켰다.

 추가적으로 연구팀은 해당 공정을 통해 소재의 단순한 조성을 넘어서 소재의 결정과 형상, 그리고 전자 구조가 모두 잘 제어된 안티모니 칼코아이오다이드 Sb(S1-xSex)I 소재 제작에 성공했다. 또한 연구팀은 전자 구조 분석을 통해, 이 소재의 한계점을 지적하고 고성능 태양전지 제작을 위해 필요한 적절한 계면층을 소개했다.

 DGIST 에너지융합연구부 최용찬 박사는 이번에 개발한 방법은 안티모니 칼코아이오다이드를 포함한 다양한 삼원계 칼코할라이드 소재 제작에도 적용할 수 있을 것이라며, “향후 단순한 태양광을 넘어 비납계 차세대 태양전지 개발에 있어 토대가 될 것으로 기대된다라고 말했다. 또한 함께 연구를 진행한 DGIST 에너지융합연구부 정강원 전임연구원은 이번 결과를 토대로 더욱 향상된 태양전지 소자를 개발해 향후 상용화가 가능한 비납계 태양광 시스템을 개발하기 위해 노력하겠다고 말했다.

 한편, 이번 연구는 DGIST 에너지융합연구부 정강원 전임연구원이 제1저자로 참여했으며, 과학기술정보통신부 한국연구재단 기본연구 및 DGIST 융합연구원 기관고유사업인 차세대 에너지소재 원천기술 개발연구사업의 지원을 받아 수행됐다. 또한 이 결과는 에너지 분야 국제학술지인 ‘ACS Applied Energy Materials’1116() 온라인 게재와 더불어 추가표지(Supplementary Cover) 논문으로 채택됐다.

 

 

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연구결과개요

 

Compositional Engineering of Antimony Chalcoiodides via a Two-Step Solution Process for Solar Cell Applications

Kang-Won Jung and Yong Chan Choi*

(ACS Applied Energy Materials, on-line published on November 16th, 2021)

 

차세대 태양전지 분야에서 납 기반 페로브스카이트를 대체할 소재로서 안티모니 칼코아이오다이드 Sb(S,Se)I 소재가 큰 관심을 받고 있다. 하지만 이 소재에 대한 연구는 초기 단계에 머물러 있어, 이에 대한 공정기술 연구가 미비한 상황이다. 이번 연구에서는 Sb(S,Se)I 소재의 S/Se 조성 제어가 가능한 효과적인 용액공정을 소개하였다. 이 공정은 크게 두 단계로 이뤄져 있는데, 1단계에서 안티모니 칼코게나이드 Sb2(S,Se)3 소재를 제작하고, 이를 2단계에서 SbI3와 반응시켜 Sb(S,Se)I 소재로 변환하는 방식이다. 이를 위해 1단계에서 SbCl3-selenourea 기반 용액공정을 추가로 도입하여 다양한 S/Se 조성의 Sb2(S,Se)3 소재를 제작했다. 본 방법을 통해 밴드갭, 결정상, 형상 및 전자 구조가 제어된 Sb(S1-xSex)I (0x1) 소재를 성공적으로 제작할 수 있었다. 추가적으로 전자 구조 분석을 통해 안티모니 칼코아이오다이드 태양전지 설계에 적합한 전자후송층 및 홀후송층을 소개하였다. 이 연구는 Sb(S,Se)I 소재의 태양광 흡수체로서의 가능성을 확인해주었고 향후 이 물질 기반 태양전지 개발에 기여할 것으로 기대된다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

차세대태양광 소재로서 안티모니 칼코아이오다이드는 현재까지 가장 많이 연구되고 있는 페로브스카이트 소재만큼 잠재력이 큰 물질이다. 하지만, 아직 연구가 초기 단계여서 대부분 이 물질을 활용한 태양전지 응용성을 보고하는 수준에 머물고 있다. 이를 태양광 소재로서 제대로 활용하기 위해서는 기본적으로 조성 제어를 통한 소재의 특성을 조절할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 S/Se 조성 제어를 통해 안티모니 칼코아이오다이드의 밴드갭, 결정상, 형상 및 전자구조 특성을 제어할 수 있음을 보여주었다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

칼코아이오다이드는 다양한 특성을 지니고 있어, 태양전지 뿐만 아니라 photodetector, phototransistors, LED와 같은 다양한 광전소자에 응용할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

현재 페로브스카이트를 비롯한 다양한 소재들이 차세대 태양전지 흡광체로 거론되고 있다. 하지만, 이 소재들이 실제로 상용화되기 위해서는 무엇보다 고성능과 안정성이 보장돼야 한다. 하지만, 본 소재의 경우 연구 초기 단계이기 때문에 아직 연구해야 할 주제가 많이 남아 있다. 가장 중요한 것은 페로브스카에트에 버금가는 고성능을 확보하는 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

태양광 소재에 있어서 가장 중요한 요소 중 하나는 안전성이다. 이런 관점에서 적절한 물질을 찾던 중, 안티모니 칼코아이오다이드가 잠재력이 큰 소재라는 것을 알게 되었고 이와 관련된 기초 연구가 매우 미비하다는 점에 큰 매력을 느껴 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

납 기반 페로브스카이트 태양전지의 경우 10% 효율을 넘어, 현재 널리 상용화돼 있는 태양전지에 버금가는 성능을 보여주고 있다. 하지만 납 성분의 유해성과 소재 불안정성 때문에 상용화에 큰 어려움을 겪고 있다. 본 연구팀이 제작한 안티모니 칼코아이오다이드는 납 기반 페로브스카이트와 유사한 전기적 특성 때문에, 고성능 태양전지로 발전할 가능성이 큰 물질로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서 조성 제어를 통해 본 소재의 특성을 조절할 수 있음을 증명했다는 점에서 의미가 있다. 이를 통해 본 소재가 태양광 소재로 더 발전하고 그 성능을 높이는데 이바지할 것이라 기대한다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

가장 큰 목표는 현 소재를 활용한 10% 이상 효율을 지닌 고성능 태양전지 구현이다. 그리고 이를 넘어 이 소재를 활용한 다양한 광전소자 분야에 적용해보고자 한다.


 

 

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그림설명

[그림 1] 안티모니 칼코아이오다이드 제작 공정 개발 과정 모식도


(그림설명) 안티모니 칼코아이오다이드 Sb(S,Se)I 소재 제작을 위한 2단계 용액공정 과정 도식도 / 조성 변화에 따른 소재의 색상 변화 사진 및 흡광 변화 그래프.
 
 
 

 
콘텐츠 담당 담당부서  :   대외협력팀 ㅣ 053-785-1135