직화구이처럼 단시간에 굽는 금속산화물 도핑기술 개발

고성능 페로브스카이트 태양전지 제작 성공

국내 연구팀이 직화구이처럼 금속산화물 박막을 짧은 시간 구워 소재의 전자 구조를 제어하는 기술을 개발해 고성능 페로브스카이트 태양전지 상용화의 길을 열었다.

성균관대 김정규 교수, 연세대 박종혁 교수는 미국 스탠포드대 연구팀과의 공동 연구를 통해 급속 불꽃 연소 공정 기반 금속산화물 도핑 기술을 적용해 페로브스카이트 태양전지를 제작하는 기술을 개발했다고 한국연구재단이 4일 밝혔다.

차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지는 주로 이산화티타늄(TiO2)과 같은 금속산화물을 전자수송층으로 사용한다. 이러한 전자수송층의 에너지 준위와 전기적 특성은 페로브스카이트 내부에서 생성되는 광전하를 효율적으로 추출하는 능력을 크게 좌우한다.

연구팀은 직화구이로 양념이 된 음식을 짧은 시간에 조리하면 음식이 익으면서 양념이 깊숙이 고르게 베어 들어가는 것처럼, 전이 금속으로 ‘양념’이 된 이산화티타늄 박막을 불꽃에 수십 초 이내로 빠르게 구워내 우수한 도핑 특성 소재를 개발하는 데 성공했다.

일반적인 열 확산 도핑 방법은 550도(℃) 미만의 제한된 전기로를 사용하는데, 대류 방법으로 온도 처리가 진행되는 만큼 전이금속 원자의 도핑에 한계가 있으며 가열·냉각 속도가 느려 이 공정에만 최소 5시간 이상이 소요된다.

연구팀이 활용한 불꽃 직화 공정은 1,000도(℃) 이상의 고온에서 수 밀리 초(1,000분의 1초) 단위로 열에너지를 공급하는 급속 열처리 공정으로, 이산화티타늄을 40초 이내의 빠른 속도로 코발트 이온을 도핑해 전자수송층의 에너지 준위와 전기적 특성을 개선했다.

연구팀은 불꽃 직화로 150나노미터(nm) 두께의 이산화티타늄 박막과 50나노미터(nm) 두께의 조밀한 이산화티타늄 박막을 도핑해 메조스코픽 소자와 플래너 소자를 제작했다. 그 결과 이러한 소자의 광전변환효율과 안정성이 향상됐음을 확인하고, 5시간 이상 소용되는 도핑 공정 시간도 1분 이내로 단축했다.

김정규 교수는 “요리할 때 직화구이를 하는 것처럼 수십 초 이내로 불꽃에 넣었다 빼기만 해도 금속산화물을 손쉽게 도핑해 전자 구조를 개선하는 기술을 개발한 것”이라며 “앞으로도 태양전지뿐 아니라 금속산화물 소재를 사용하는 광촉매, 반도체, 디스플레이 등에 폭넓게 적용해 짧은 시간에 우수한 성능을 낼 수 있는 소자 제작 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

이 연구는 한국연구재단 이공학 개인기초연구지원사업, 기초연구사업, 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업의 지원으로 수행

직화로 금속산화물 박막을 구워, 고성능·고안정성 페로브스카이트 태양전지 제작 이산화티타늄 박막 표면에 전이금속 원자를 1분 이내의 급속 불꽃 직화로 도핑하여 제작한 전자수송층을 페로브스카이트 태양전지에 도입하여 소자의 성능과 안정성을 동시에 향상시키고 히스테리시스를 배제하는 기술을 개발함.

이산화티타늄의 에너지 준위 제어 및 메조스코픽/플래너 소자의 성능 시뮬레이션을 통해 코발트 2가 이온이 이산화티타늄의 산소 결원과 쌍을 이루어 에너지 준위를 개선시켰고, 이를 이용해 제작된 두 종류의 페로브스카이트 소자 (메조다공성 구조 기반의 소자와 콤팩트 구조 기반의 소자) 모두 성능이 향상되고 히스테리시스 현상이 억제됨.

되었다. 세계적 권위를 자랑하는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials) 10월 15일 논문으로 게재됐다.

[e-mail] 조석장 기자

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