【브레이크뉴스 포항】박영재 기자=POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 박태호 교수 · 통합과정 김도현 · 최현태 · 정우택 씨, 한국화학연구원 전남중 박사, 충남대 응용화학공학과 송슬기 교수 공동연구팀이 페로브스카이트 필름 처리를 위한 새로운 첨가제를 개발하여 에너지 전환 효율이 높으면서도 안정적인 페로브스카이트 태양 전지를 제작하는 데 성공했다.

▲ 포스텍 전경     ©포스텍

10일 POSTECH에 따르면 이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며, 에너지, 환경 분야에서 영향력 높은 학술지인 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 게재됐다.

페로브스카이트 태양 전지(Perovskite Solar Cell, 이하 PSC)는 페로브스카이트를 활용하여 태양의 에너지를 활용하는 전지다. PSC는 가공이 쉽고, 공정비용이 저렴해 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다.

그러나 수분에 취약하고, 페로브스카이트 표면에 있는 결함이 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency)을 저해한다.PSC의 안정성과 효율성을 높이기 위해서는 페로브스카이트 필름 표면에 생기는 결함을 제거해야 한다.

지금은 첨가제를 용매에 녹여 페로브스카이트 필름 표면에 도포하는 방식으로 처리하는데, 용매가 쉽게 증발하여 첨가제가 고체로 변하기 때문에 필름 표면의 결함을 제대로 제거할 수 없었다.

연구팀은 ‘알킬암모늄 포르메이트(Alkylammonium formates, 이하 AAFos)’이라는첨가제를 새롭게 합성하여 표면 처리 과정에 사용했다. AAFos는 AAFos 내 양이온과 유사 할로겐화물 음이온 사이의 결합이 약해 상대적으로 낮은 온도에서 액체로 존재할 수 있는데, 연구팀은 이 첨가제의 ‘고체-액체 상변화’에 주목한 것이다.

AAFos는 용매 사용 여부와 상관없이 짧은 열처리 과정을 통해 고체에서 액체로 변화하여 필름 표면의 결함을 제거하고, 이후 상온에서 다시 고체로 변한다.

또, AAFos의 유사 할로겐화물 음이온은 할로겐 결함과의 친화력이 높아 표면에 있는 결함을 효과적으로 처리할 수 있고, 양이온의 긴 알킬 사슬은 페로브스카이트 층으로의 수분 침투를 막아 수분 안정성을 향상시킬 수 있다.

또, 연구팀은 AAFos를 사용하면 PSC의 전력 변환 효율이 상승한다는 것도 실험을 통해 확인했다. PSC 단일면적에서 약 25퍼센트의 높은 전력 변환 효율을 보였으며,동일 소자에서 세계 최고의 충진율인 80.77퍼센트를 달성했다.

면적이 넓은 PSC 모듈(23.75제곱센티미터)에서 20.82퍼센트의효율을 기록했는데, 면적이 클수록 효율과 충진율이 낮아지는 기존 태양 전지의 한계를 극복한 것이다.

태양 전지로 대표되는 재생에너지 개발은 이제 선택사항이 아닌 의무일 것이다. 이번 연구를 통해 페로브스카이트 태양 전지가 차세대 태양 전지로서의 입지를 굳히고, 넓은 면적에서도 널리 활용될 것으로 기대된다.

<구글번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

Success in manufacturing high-performance and high-stability ‘perovskite’ solar cells

POSTECH (Pohang University of Science and Technology, President Moo-Hwan Kim) Department of Chemical Engineering Professor Tae-Ho Park · Integrated Course Do-Hyeon Kim · Hyun-Tae Choi · Woo-Taek Jung, Korea Research Institute of Chemical Technology Dr. Nam-Joong Jeon, Chungnam National University Department of Applied Chemical Engineering Professor Seul-Ki Song joint research team developed a new additive for perovskite film processing developed a stable perovskite solar cell with high energy conversion efficiency.

According to POSTECH on the 10th, this research was conducted with the support of the National Research Foundation of Korea and was published in Energy & Environmental Science, an influential academic journal in the field of energy and environment.

A Perovskite Solar Cell (PSC) is a cell that utilizes the energy of the sun using perovskite. PSC is attracting attention as a next-generation solar cell material because it is easy to process and inexpensive.

However, it is vulnerable to moisture, and defects on the surface of perovskite impede power conversion efficiency. In order to increase the stability and efficiency of PSC, it is necessary to remove defects on the surface of the perovskite film.

Currently, additives are dissolved in a solvent and applied to the surface of the perovskite film, but since the solvent evaporates easily and the additive turns into a solid, defects on the film surface could not be properly removed.

The research team newly synthesized an additive called 'Alkylammonium formates (AAFos)' and used it in the surface treatment process. AAFos can exist as a liquid at a relatively low temperature due to the weak bond between the cation and pseudo-halide anion in AAFos. The research team paid attention to the ‘solid-liquid phase change’ of this additive.

Regardless of whether a solvent is used or not, AAFos changes from a solid to a liquid through a short heat treatment process to remove defects on the film surface, and then changes back to a solid at room temperature.

In addition, the pseudo-halide anion of AAFos has high affinity with halogen defects, so that defects on the surface can be effectively treated, and the long alkyl chain of the cation prevents moisture penetration into the perovskite layer and improves moisture stability. there is.

In addition, the research team confirmed through experiments that the use of AAFos increases the power conversion efficiency of the PSC. It showed a high power conversion efficiency of about 25% in a single area of the PSC, and achieved the world's highest fill factor of 80.77% in the same device.

An efficiency of 20.82 percent was recorded in a PSC module with a large area (23.75 square centimeters), which overcomes the limitations of conventional solar cells, in which efficiency and filling rate decrease as the area increases.

Renewable energy development, represented by solar cells, will no longer be an option, but an obligation. Through this research, perovskite solar cells are expected to solidify their position as next-generation solar cells and be widely used in large areas.