세계 경제발전과 인구 증가로 에너지 사용량이 매년 증가하고 있다. 현재 소비되는 에너지의 약 80% 이상이 화석연료에서 만들어지고 있다. 이것은 지구온난화와 환경오염의 원인이 되고 있으며, 우리가 그 심각성을 잊고 있는 사이 유한한 매장량의 화석연료는 고갈되어 가고 있다. 이런 관점에서 태양에너지를 청정 재생 전기 에너지로 전환시키는 태양전지에 많은 관심이 집중 되고 있다.
1991년에 그라첼 교수와 그의 동료들이 개발한 염료감응형 태양전지 (Dye-Sensitized Solar Cells)는 낮은 제조 비용과 11%의 고효율로 큰 각광을 받았지만, 현재까지 태양전지 효율 향상은 정체되
부산대학교 진성호 교수
부산대 진성호 교수 연구팀은 기존보다 훨씬 경제적이고 간단한 공정을 통한 차세대 태양전지의 홀 전도체 개발을 위한 연구를 미래창조과학부와 한국연구재단이 지원하는 기초연구사업(중견연구자)을 통해 수행하였으며 연구결과는 재료분야의 세계적인 권위지인 어드밴스트 머티리얼즈(Advanced Materials)지* 온라인 판 11월 30일 자에 내부 표지논문으로 게재되었다.
*어드밴스트 머티어리얼즈(Advanced Materials)
: 어드밴스트 머티어리얼즈 (Advanced Materials)는 재료과학 분야중 최상위 학술지중 하나로 1989년부터 온라인 출판되었으며, 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수 (impact factor 17.493)를 가지고 있다.
기존의 홀 전도체는 수분 및 공기중에 산화가 잘된다고 여러 문헌에 보고되어 있었으며, 소자 효율 및 장기안정성 문제가 있었다. 따라서 본 연구는 이를 극복하기 위한 방법으로 기존 홀 전도체의 다른 구조를 가지면서, 생산단가 및 용이한 합성공정 등을 고려하였고, 마침내 새로운 홀 전도체 합성에 성공하였다. 그리고 각 분야에서의 전문가와의 의견을 교류하며, 목적에 알맞은 역할을 가지고 상호간의 지속적인 미팅을 통해서 다양한 소자에 적용을 하였다. 페로브스카이트 태양전지** 제작 및 특성평가는 부산대학교, 재료연구소 및 경희대학교 그리고 유기 태양전지*** 제작은 부산대학교와 재료연구소에서 수행을 하면서 홀 전도체에 대한 검증을 실시하였다. 참여 연구진의 역할을 바탕으로 확보된 연구결과에 대해 정기적인 미팅 및 활발한 토의가 이루어 졌으며. 이렇게 활발한 융합연구를 통해 새로운 홀 전도체에 대한 연구를 성공적으로 수행했다.
** 페로브스카이트 태양전지
: 페로브스카이트는 ABX3의 특별한 결정구조의 물질로 부도체, 반도체는 물론 초전도 현상까지 보인다. 이를 기반으로 한 유무기 하이브리드 태양전지를 말한다.
*** 유기 태양전지
: 유기 고분자(반도체) 기반의 태양전지
이번에 개발된 새로운 홀 전도체는 기존의 홀 전도체 생산단가의 20% 수준으로 양산공정에 상당히 유리하며, 소재의 내구성 및 정공**** 수송력이 향상되었기에 태양전지 및 OLED 등 다양한 분야에서 적용가능하다.
**** 정공
양전하를 가진 가상의 입자
진성호 교수는 “이번에 개발된 새로운 홀 전도체는 비교적 저렴하면서도 공정이 간단해서 차세대 태양전지 및 유기 디스플레이, 발광 다이오드 등 다양한 전자기기의 성능 및 수명향상에 기여할 수 있을 것”이라고 연구의의를 밝혔다.
그림 1. 페로브스카이트 태양전지 구조와 특성 평가
그림 2(a) 는 페로브스카이트 태양전지의 단면을 나타내었다. 그림 2(b)와 2(c) 는 전류밀도-전압 (J-V) 특성 그래프이며, 포워딩( 0V에서 1V) 및 리버스 (1V에서 0V) 스캔 방향에서 히스테리시시가 거의 없는 특성을 보였다. 이것은 페로브스카이트 층에서 생성되어져 나온 홀과 전자들이 정공전달층과 ZnO 층을 지나 주입된 전하의 균형이 좋아졌다는 것을 의미한다. 그림 2(d) 합성된 홀 전도체가 기존의 홀 전도체인 Spiro-OMeTAD 보다 강한 소수성이기에 소자의 안정성 측면에서도 우수하다는 것을 알 수 있다.
어있다. 그리고 액체 전해질을 사용함으로써 태양전지의 안정성이 떨어지는 큰 문제점을 보였다. 염료감응형 태양전지의 효율을 높이기 위해서 기존 유기 염료 물질 대신 PbS, Sb2S3, CuInS 등의 다양한 광흡수 계수가 높은 무기 물질들이 적용되었지만, 큰 진전을 보이지 않았다.
