SAINT 전일 교수 공동연구팀, 액체형 신규고분자 활용 고성능 페로브스카이트 태양전지 보고

- 부산대와 공동연구로 Advanced Energy Materials에 22일 논문 게재

- 액체형 고분자로 고성능 태양전지 제작하고 고효율 인증서 확보

▲ (왼쪽부터) 전일 교수, 김규선 박사, 한지예 박사, 이상수 박사과정생

성균나노과학기술원(SAINT) 전일 교수 연구팀은 부산대 도정윤 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 액체형 고분자를 합성하여 페로브스카이트* 태양전지의 첨가제로 적용하였다. 이를 통해 높은 광전효율뿐만 아니라 단락 전류 밀도(JSC)와 필 팩터(FF)가 대폭 증가하였음을 밝혀냈다. (그림 1)

* 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조. 페로브스카이트 구조는 높은 전하 이동과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지의 선두주자로 주목받고 있음

[그림1] 액체형 디티오카보네이터계 고분자를 첨가제로 사용한 성능 페로브스카이트 태양전지 개발

지금까지 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells, PSCs)의 고성능화를 위해 다양한 고분자 재료가 개발되어 왔다. 일반적인 고분자 첨가제는 극성 용매에 불용성을 가지고 있어, 안티 솔벤트(anti-solvent)에 용해시키는 등의 제한적인 방법을 사용해 왔다. 극성용매에 용해가 가능한 친수성 고분자 재료들의 경우, 일반적으로 유리전이 온도(Tg)가 상온이상으로 80~100도씨 사이에 대부분 형성되어 있어 어닐링(annealing) 프로세스에서 고분자의 변형이 일어나 페로브스카이트 층 내 결정화와 같은 다양한 문제를 야기할 수 있다.

[그림2] a) 액체형 디티오카보네이트계 고분자의 합성경로
b) 고분자의DSC 커브
c) 페로브스카이트 전구체 첨가 계략도

전일 교수 연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 액체형의 디티오카보네이트계(dithiocarbonate) 고분자를 리빙(living) 양이온 개환중합을 통해 합성하였다. 이 물질은 낮은 Tg 및 1에 근접한 PDI 기반의 단분산성(monodispersity)*의 특징을 가지며, 응집없이 페로브스카이트 전구체와 뛰어난 혼화성을 가지기 때문에 첨가량을 자유롭게 조절할 수 있어 다양한 방법으로 활용가치가 매우 높다.

* 단분산성(monodispersity): (콜로이드 시스템의) 유사한 크기의 입자를 가지는 것

합성된 액체형의 디티오카보네이트계 고분자는 페로브스카이트 전구체에 다른 용매없이 첨가할 수 있어 정확한 첨가량을 확인할 수 있으며, 기존의 페로브스카이트 필름보다 안정적으로 제작할 수 있다. 그 결과, 범용성 고분자 첨가 방법의 한계를 극복함과 동시에 페로브스카이트 결정 크기 및 결정질 향상을 통해 소자의 효율 또한 증대시켰다.

[그림3] a-d) 보고된 고분자 첨가제를 사용한 PSC와 각 태양광 파라미터를 비교한 그래프
e) 액체형 디티오카보네이트계 고분자를 첨가한 PSC에 얻은
21.96%의 효율성을 증명하는 한국에너지기술연구원(KIER) 인증서

이에 본 연구진은 극성/비극성 용매에 대한 용해성과 무관한 액체형 고분자를 페로브스카이트 흡수층에 단독으로 직접 첨가하여 페로브스카이트 층의 페시베이션(passivation)*과 템플릿(template) 효과를 통해 페로브스카이트 태양전지 고성능화를 실현하였다. 해당 결과는 고분자 첨가제를 사용한 태양전지의 중 가장 높은 효율 및 파라미터 결과를 실현하였고 한국에너지기술연구원(KIER)에서 공인인증을 받았다.

* 패시베이션(passivation): 표면의 반응을 막기 위해 용매 등의 처리를 통해 피막을 형성하여 부동태화하는 공정

전일 교수는 “액체형 디티오카보네이트계 고분자는 황을 포함하는 다양한 고분자 합성 및 소자 적용이 가능하고, 페로브스카이트의 결정 성장 및 페시베이션 효과를 극대화하여 페로브스카이트 태양전지의 고성능화에 관한 새로운 재료 합성의 시발점이 될 것” 이라며, “향후 다양한 페로브스카이트 소재 기반 차세대 광전변환소자 및 디스플레이 분야에서의 적용이 가능할 것으로 보여 관련 기술 발전에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.

연구팀의 이번 연구는 한국과학기술정보통신부(MSIT)의 한국연구재단(NRF-2021R1C1C1009200, NRF-2022R1I1A01065316) 지원을 받아 수행하였으며, SAINT-MBraun Application Laboratory에서 제공한 MBraun사의 Glove box를 사용하여 고효율 태양전지를 보고할 수 있었다. 공동연구팀의 이번 연구성과는 세계적 학술지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF: 29.698)에 게재되었다.

※ 논문명 : Liquid-State Dithiocarbonate-based Polymeric Additives with Monodispersity rendering Perovskite Solar Cells with Exceptionally-High Certified Photocurrent and Fill Factor

※ DOI : https://doi.org/10.1002/aenm.202203742

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