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ZnO 박막 두께가 차세대 페로브스카이트 태양전지 성능에 미치는 영향

전문가 제언: ○ 온실가스 발생 감축을 위한 재생가능에너지로 태양전지 이용이 최근 놀랍게 증가하고 있다. 고비용 실리콘 태양전지 대체를 위한 여러 기술이 개발되고 있다. 페로브스카이트 태양전지 기술은 한국화학연구원의 공인변환효율(PCE)이 20%를 초과하고 발전 원가가 화석연료 사용 방식의 절반 이하로 추정되어 상용화를 위한 안정성 연구가 한창이다.

○ 페로브스카이트 재료는 ABX3의 화학식을 갖는다. A는 1가의 유기 양이온인데 통상 CH3NH3이고, B는 2가의 금속 양이온으로 보통 Pb이다. X는 1가의 음이온인 할로겐원소인데 요오드(I)가 흔하다. 따라서 통상의 페로브스카이트는 CH3NH3PbI3가 가장 많다. 페로브스카이트 태양전지는 저온 용액가공의 저비용 생산이 가능하고 조성변경에 의한 많은 가능성을 보였다. 실리콘 태양전지도 원가가 화석연료 방식과 비슷해 진 지역도 나타나, 페로브스카이트 셀의 원가절감 연구가 더욱 뜨겁다.

○ 첫째 원가절감 대상은 소성가공에 450℃ 정도가 필요한 메조 다공성 TiO2 전자 받개인데, 고분자 기판에서 100℃ 이하 가공이 가능한 ZnO로의 교체이다. 이는 평면형 p-n 접합구조인데, 2013년 Kumar 등의 FTO 기판 상 ZnO 나노막대 사용에 의한 PCE 8.9% 달성이 보고되었다.

○ 이 글에서 저자들은 ZnO를 사용한 원가절감형 Ag/MoO3/Spiro-OMeTAD /TPA/ZnO/ITO/유리 구조의 페로브스카이트 제조를 소개하였다. ZnO 두께의 최적화에 대해서는 태양전지의 PCE 측정으로 구하기 전에 TPA와 ZnO 계면에서의 광발광(PL) 강도를 이용하는 방법을 설명하고 있다. PL은 여기자 분리 후 두 전하의 재결합 중 한 유형인 발광인데, 발광 수명이 짧을수록 여기자 분리 효율이 높기 때문에 ZnO 두께가 PCE 향상에 미치는 영향을 알 수 있다. 실험결과 ZnO 두께 30㎚ 경우가 여기자 수명이 가장 짧고 PCE 평균이 7%에 가까워 최적 두께였다.

○ 한국은 초기 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 해결한 성균관대 박남규 교수팀, 한국화학연구원 석상일, 노준홍 등, 경희대 임상혁 교수 등이 세계 최고의 각종 기록을 보유하고 있어 세계 최초의 상용화를 위해 이분들의 연구에 국가정책상 충분한 지원이 시급히 요구된다.

저자: Kun-Mu Lee, et al.
자료유형: 니즈학술정보