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CH3NH3PbI3 태양전지가 메조다공성 전자수송층 골격을 필요로 하는 이유

전문가 제언: ○ 지구의 이상기후와 화석연료 고갈을 대비한 신재생에너지 기술이 활발히 개발되고 있다. 실리콘 태양전지보다 경제성이 더 우수한 박막태양전지 등 신기술이 경쟁적으로 등장하고 있다. 흡광능력이 높은 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트 이온결정은 발견된지 100년이 훨씬 지나도 용액 속에서 용해되는 문제가 있어 쓸모가 없었다.

○ 2012년 과거 염료감응태양전지(DSSC)의 세계적 창시자의 한 분이고 색소증감태양전지라는 일본 이름을 이 한국이름으로 바꾼 성균관대 박남규 교수, 김희순 등이 녹는 문제를 해결하여 페로브스카이트를 살렸다. DSSC의 정공수송물질(HTM)인 액체전해질을 고체상태의 유기 전도성 재료인 spiro-OMeTAD로 바꾼 것이다. 이후 2년도 안되어 현재 15%가 넘는 효율로 발전하여 실리콘태양전지 대체의 희망까지 보인다. 현재 한국의 성균관 대학, 한국화학연구원은 이 부문 연구의 선두주자이다.

○ 이 기술에서 놀라운 성능의 CH3NH3PbI3？xClx 등의 여러 혼합 할로겐화물이나 여러 전자수송재료 성능의 골격이 개발되고 HTM이 필요 없거나 통상의 박막 평면형 설계가 적용될 수 있는 기술도 나타나고 있다. 금후 어떤 유형의 페로브스카이트 태양전지가 올바른 발전방향인가에 관한 의문이 과학기술자들의 머리를 떠나지 않고 있다.

○ 이 글에선 항상 궁금했던 메조다공성 TiO2 골격층이 왜 필요한가를 다루었다. 여기선 광 여기전류 대용으로 전자빔유도전류(EBIC)법을 사용하여 CH3NH3PbI3 기반의 태양전지를 특성 평가하여 CH3NH3PbI3？xClx와 비교하였다. 작동 셀의 전하분리효율의 공간 맵은 두 박막 셀이 p-i-n구조임을 알려준다. 두 셀의 EBIC 프로파일로부터 측정한 실효확산길이는 CH3NH3PbI3에서 정공이 전자보다 훨씬 긴 것이 밝혀졌다. 전자의 짧은 확산길이 장애 극복에는 전자가 자기의 전극으로 가는 분리 통로가 필요하고 메조다공성 TiO2 골격층이 필요한 이유가 되고 있는 것이다.

○ 그러나 CH3NH3Pb I3？xClx에선 실효확산길이가 전자정공 모두에서 비슷하여 별도의 분리통로가 필요하지 않다. 실리콘태양전지 대체를 위한 이 혁신적 기술의 실용화에 거국적인 지원이 있기를 기원한다.

저자: Eran Edri et al
자료유형: 학술정보