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태양광 흡수 증대를 위한 혼합 유기양이온의 페로브스카이트 태양전지

전문가 제언: ○ 세계의 에너지 위기를 태양에너지 자원을 이용하여 해결하려는 태양전지기술은 그동안 실리콘 태양전지가 크게 기여해왔다. 최근 발전비용이 더 낮은 박막기술이 개발되어 상업화에까지 이르고 있다. 그러나 이보다 더 경제적이며 친환경적 기술의 등장이 요구되는 실정이다.

○ 흡광/전하이동도 등의 특성을 겸비한 하이브리드 유무기 메틸암모늄 납할로겐화물의 이온결정인 페로브스카이트 기반의 태양전지가 최근 눈부시게 발전하여 수년 내 실리콘 태양전지를 대체할 것이라는 전망이 나오고 있다. 그러나 태양전지에 적용 초기 2004년~2009년~2011년까지 이 재료는 이온결정에서 유래하는 액체 환경에서의 안정성 부족으로 태양전지(염료감응형) 응용이 어렵다는 연구결과가 학계를 실망시켰다.

○ 2012년 성균관대 박남규 교수 등은 염료감응 태양전지의 액체전해질을 고체 유기정공 수송물질로 교체하여 안정성 문제를 해결함으로써 페로브스카이트의 태양전지 적용이 부활된 것은 유명한 일화이다. 현재 이 기술의 세계기록 공인은 한국화학연구원 석상일 박사팀이 2014년 초 효율 16.2% 그리고 5월 17.9%로 갱신하였다. 한국의 활약이 놀랍다.

○ 이 기술의 상업화에는 아직 납의 독성, 습기환경에서의 안정성 부족, 양산화 기술개발 등의 난제가 있으나 효율 향상이 기본으로 남아있다. 이 글에서 저자들은 페로브스카이트의 태양광 흡수개시를 적색영역으로 확장함으로써 광전류를 높여 효율을 향상한 전략을 설명하고 있다.

○ 유기 양이온 성분을 기존의 메틸암모늄(MA) 단일성분으로부터 포름아미디늄(FA)을 포함한 혼합성분으로 바꿈으로써 (MA)x(FA)1-xPbI3(x=0 ~1) 기반의 페로브스카이트 감응 태양전지를 저자들이 최초로 시현하였다. 여기서 x=0.6 즉 MA와 FA의 비가 3:2 경우 흡광계수도 해치지 않고 전 가시광영역에서 흡수광자-전류변환효율(APCE)(=내부양자효율 IQE)이 80~85%로 균일하게 높아 PCE가 14.9%에 달한 것도 있다. FA 고유의 δ상에서 유래하는 황색은 MA 첨가로 해결된다. 현재까지의 한국연구진 노력이 실리콘 태양전지 대체를 앞당기는데 결실을 맺기를 기대한다.

저자: Norman Pellet, Peng Gao et al.
자료유형: 학술정보