[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 장성연·류정기·장지욱 교수팀이 페로브스카이트 태양전지의 내구성과 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했다. 이 태양전지는 페로브스카이트 활성층과 금속 전극 사이에 특수 설계된 음극 중간층을 삽입한 것이 특징이다. 9일 연구진에 따르면, 이 태양전지는 23.21%에 달하는 높은 광전변환효율을 기록했다. 또 동시에 60도에서 750시간 동안 작동했을 때도 초기 대비 81% 이상 효율을 유지해냈다. 장성연 교수는 "이 태양전지를 광전극으로 활용해 고효율의 그린 수소를 생산할 수 있는 화학 부품의 새로운 구조를 제시했다"고 말했다. 금속 할로겐화물 페로브스카이트는 빛 에너지를 받아 전자를 방출하는 '광전자' 특성이 우수해 태양 에너지 응용 분야에서 유망한 재료로 꼽힌다. 특히 혼합 주석-납 할로겐화물 페로브스카이트(TLHP)는 가시광선에서 근적외선 영역까지 태양광 흡수가 가능해 고효율 태양전지 개발에 중요한 소재다. 하지만 TLHP는 납 기반의 페로브스카이트 보다 대기 중 안정성이 낮아 소재의 장점을 활용하기 어려웠다. 연구진은 TLHP를 화학적으로 보호할 수 있는 음극 중간층으로 새로운 화합물을 추가했다. 이 화합물 '페릴렌 디이미드'는 빛을 받아 전력을 생산하는 광활성층인 페로브스카이트의 상부층에 삽입된다. 연구진은 "이 물질이 효율적으로 전자를 이동시킬 뿐 아니라 화학적 장벽 역할 또한 수행해 안정성을 대폭 향상시켰다"고 설명했다. 뿐만아니라 새 기술을 수소 생산을 위한 광전극으로도 활용했다. 외부 전력이 없는 상태에서 약 33㎃/㎠의 기록적인 태양광 수소 생산 속도를 보였다. 연구진은 이러한 수치가 미국 에너지부에서 목표로 하는 것보다 높다고 말했다. 한편, 연구진은 고려대 곽상규 교수팀과 함께 이 기술을 개발했으며, 그 결과를 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 공개했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

"1단계 연구개발(R&D)로 100여개 이상의 신소재를 만들어 냈고, 이제 2단계부터는 제일 똘똘한 10개를 뽑아 이미지 센서 부품을 만들것이다." 국가핵심소재연구단 중 용액공정 광전 융합 소재 연구단을 이끌고 있는 윤성철 단장은 12일 한국화학연구원 화학소재연구본부 연구실에서 파이낸셜뉴스와 만나 "세상에 없는 신소재로 이미지센서 국산화를 넘어 세계 시장을 주도할 작품을 내놓겠다"며 이같이 말했다. 연구단은 이미지 센서를 세계 최초로 프린팅하는 방법을 활용해 쉽게 만들 수 있는 신소재를 개발 중이다. 이 신소재와 제작공정 기술로 현재 90% 이상 수입에 의존하는 이미지센서 소재 및 부품 국산화를 넘어 세계 시장을 주도하겠다는 목표다. ■ 눈이 못보는 것까지도 본다 12일 글로벌 시장조사기관 IC인사이츠에 따르면 이미지센서 시장 매출 규모는 올해 193억 달러(약 25조4900억원)에서 오는 2026년 269억 달러(약 35조5200억원)로 확대될 전망이다. 이미지센서는 지난 10~15년간 대부분 휴대폰 카메라 기술로 활용됐으나 자율주행차, 인공지능(AI), 가상·증강현실(VR·AR) 등 활용 분야가 늘면서 성장세를 보이고 있다. 사과를 일반 가시광선으로 보면 겉만 보이지만 적외선을 활용하는 이미지 센서는 사과 속 썩은 부분까지 들여다 볼 수 있다. 또 안개가 자욱한 장소나 도로에서도 잘 볼 수 있어 보안 카메라나 자율주행차용 라이다 센서로 쓰인다. 연구단은 윤성철 단장이 소속된 한국화학연구원이 총괄하고 한국과학기술연구원과 한국재료연구원, 성균관대, 국민대, 포항공과대, 영남대, 연세대, 아주대 등이 참여했다. 2단계부터 ㈜뷰윅스, ㈜클랩, ㈜한진화학 등 기업이 합류해 소재 개발의 완성도를 높여간다는 전략이다. 화학연구원에서는 광활성층 소재를 개발하고 과학기술연구원은 이 소재로 만든 부품의 안정성 향상시킬 수 있는 기술을 개발, 재료연구원은 플렉시블 한 기판 제작 기술을 개발한다. 재료연구원 나노표면재료연구본부 임동찬 박사는 "기판 제작 기술은 양산에 근접한 쪽이다 보니 기술성숙도(TRL) 단계가 높다"면서 "개발한 것을 기업에서 현장 테스트를 하다보니 시간과 싸움의 연속"이라고 말했다. ■ 가능성 본 기업 벌써 설비투자 연구단은 2020년 5월에 R&D를 시작해 만 3년이 지났다. 지금까지 '인 가스(InGaAs)'라 부르는 인듐, 갈륨, 알세나이드를 대체할 수 있는 100여개의 소재를 찾아냈다. 올해부터 이 신 소재로 부품의 성능을 높이는 단계다. 다른 국가핵심소재연구단과 달리 1단계 사업은 2년간 연구기관과 대학이 진행하고 기업은 2단계부터 합류했다. 엑스레이 이미지 센서 기업인 뷰웍스는 산업바이오에 쓰일 적외선 이미지 센서를 개발한다. 현재 뷰웍스는 연구단에서 만든 재료로 트랜지스터를 만들어 재료를 평가하고 있다. 또 오가닉 트랜지스터를 만드는 클랩은 스마트 기기의 지문 인식 센서를, AH 머트리얼즈는 투명 전도성 소재를 개발한다. 특히 AH 머트리얼즈는 지난해 투명전극을 대량으로 만드는 기술을 이전받아 올해 1억원의 매출까지 올렸다. 또 한국과학기술연구원에서는 2021년 시노펙스로에 3억원 기술이전비를 받고 R&D에서 파생된 기술을 넘겼다. AH머티리얼즈 김용현 대표는 "원천 기술을 이전받아 실제 제품화까지 할 수 있는 흔치 않은 기회가 와서 너무 좋다"고 말했다. 새로 개발하는 신소재이며, 일반화된 공정기술이 아님에도 불구하고 이번 연구에 참여한 뷰웍스는 조립라인과 후공정 장비에 투자해 엑스레이 센서, 바이오·산업용 카메라를 만들 계획이다. 이 소재의 가능성을 봤다는 증거다. 향후 자율주행차용 라이다 센서의 수요가 급증할 것으로 전망된다. 윤 단장은 "라이다 센서의 현재 가격이 1000만원이 넘지만 우리 연구단의 성과물로 센서 가격을 낮출 수 있을 것"이라고 밝혔다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] "1단계 연구개발(R&D)로 100여개 이상의 신소재를 만들어 냈고, 이제 2단계부터는 제일 똘똘한 10개를 뽑아 이미지 센서 부품을 만들것이다." 국가핵심소재연구단 중 용액공정 광전 융합 소재 연구단을 이끌고 있는 윤성철 단장은 12일 한국화학연구원 화학소재연구본부 연구실에서 파이낸셜뉴스와 만나 "세상에 없는 신소재로 이미지센서 국산화를 넘어 세계 시장을 주도할 작품을 내놓겠다"며 이같이 말했다.  연구단은 이미지 센서를 세계 최초로 프린팅하는 방법을 활용해 쉽게 만들 수 있는 신소재를 개발 중이다. 이 신소재와 제작공정 기술로 현재 90% 이상 수입에 의존하는 이미지센서 소재 및 부품 국산화를 넘어 세계 시장을 주도하겠다는 목표다.  눈이 못보는 것까지도 본다 12일 글로벌 시장조사기관 IC인사이츠에 따르면 이미지센서 시장 매출 규모는 올해 193억 달러(약 25조4900억원)에서 오는 2026년 269억 달러(약 35조5200억원)로 확대될 전망이다. 이미지센서는 지난 10~15년간 대부분 휴대폰 카메라 기술로 활용됐으나 자율주행차, 인공지능(AI), 가상·증강현실(VR·AR) 등 활용 분야가 늘면서 성장세를 보이고 있다. 사과를 일반 가시광선으로 보면 겉만 보이지만 적외선을 활용하는 이미지 센서는 사과 속 썩은 부분까지 들여다 볼 수 있다. 또 안개가 자욱한 장소나 도로에서도 잘 볼 수 있어 보안 카메라나 자율주행차용 라이다 센서로 쓰인다. 연구단은 윤성철 단장이 소속된 한국화학연구원이 총괄하고 한국과학기술연구원과 한국재료연구원, 성균관대, 국민대, 포항공과대, 영남대, 연세대, 아주대 등이 참여했다. 2단계부터 ㈜뷰윅스, ㈜클랩, ㈜한진화학 등 기업이 합류해 소재 개발의 완성도를 높여간다는 전략이다. 화학연구원에서는 광활성층 소재를 개발하고 과학기술연구원은 이 소재로 만든 부품의 안정성 향상시킬 수 있는 기술을 개발, 재료연구원은 플렉시블 한 기판 제작 기술을 개발한다. 재료연구원 나노표면재료연구본부 임동찬 박사는 "기판 제작 기술은 양산에 근접한 쪽이다 보니 기술성숙도(TRL) 단계가 높다"면서 "개발한 것을 기업에서 현장 테스트를 하다보니 시간과 싸움의 연속"이라고 말했다. 가능성 본 기업 설비투자 연구단은 2020년 5월에 R&D를 시작해 만 3년이 지났다. 지금까지 '인 가스(InGaAs)'라 부르는 인듐, 갈륨, 알세나이드를 대체할 수 있는 100여개의 소재를 찾아냈다. 올해부터 이 신 소재로 부품의 성능을 높이는 단계다.  다른 국가핵심소재연구단과 달리 1단계 사업은 2년간 연구기관과 대학이 진행하고 기업은 2단계부터 합류했다. 엑스레이 이미지 센서 기업인 뷰웍스는 산업바이오에 쓰일 적외선 이미지 센서를 개발한다. 현재 뷰웍스는 연구단에서 만든 재료로 트랜지스터를 만들어 재료를 평가하고 있다. 또 오가닉 트랜지스터를 만드는 클랩은 스마트 기기의 지문 인식 센서를, AH 머트리얼즈는 투명 전도성 소재를 개발한다. 특히 AH 머트리얼즈는 지난해 투명전극을 대량으로 만드는 기술을 이전받아 올해 1억원의 매출까지 올렸다. 또 한국과학기술연구원에서는 2021년 시노펙스로에 3억원 기술이전비를 받고 R&D에서 파생된 기술을 넘겼다. AH머티리얼즈 김용현 대표는 "원천 기술을 이전받아 실제 제품화까지 할 수 있는 흔치 않은 기회가 와서 너무 좋다"고 말했다. 새로 개발하는 신소재이며, 일반화된 공정기술이 아님에도 불구하고 이번 연구에 참여한 뷰웍스는 조립라인과 후공정 장비에 투자해 엑스레이 센서, 바이오·산업용 카메라를 만들 계획이다. 이 소재의 가능성을 봤다는 증거다. 향후 자율주행차용 라이다 센서의 수요가 급증할 것으로 전망된다. 윤 단장은 "라이다 센서의 현재 가격이 1000만원이 넘지만 우리 연구단의 성과물로 센서 가격을 낮출 수 있을 것"이라고 밝혔다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 강홍규 박사와 이광희 소장은 영국 임페리얼컬리지 런던 연구진과 함께 유기 태양전지의 코팅 공정을 간소화하고 높은 효율과 긴 수명을 확보하는데 성공했다고 30일 밝혔다. 이 기술은 스스로 얇은 층을 형성하는 물질을 활용해 평균 전력 변환 효율이 14.9%에서 15.6%로 개선됐으며, 내구성을 24배 늘렸다. 강홍규 박사는 "유기 태양전지는 코팅 공정을 하나만 줄이더라도 양산성을 크게 개선할 수 있어 상용화에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 유기 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해 저렴할 뿐만 아니라 가볍고 유연하며 투명하다. 특히 건물과 자동차의 창문이나 유리온실에 필름으로 부착하는 등 다양한 산업에 활용할 수 있다. 역구조 유기 태양전지에 널리 사용되고 있는 산화아연은 빛의 투과율이 높고 전하 수송 능력이 뛰어나지만 자외선이 흡수될때 광촉매현상을 일으켜서 전기를 만드는 광활성층을 분해시킨다. 이 경우 빛을 흡수하는 능력이 떨어져 전기 생산 효율이 크게 떨어진다. 산화아연 위에 보호층을 씌우게 되면 복잡한 코팅 공정 때문에 제조비용이 상승하는 문제가 발생한다. 연구진은 단분자 물질인 '풀러렌 기반 자기조립 소재(C60-SAM)'가 산화아연과 만나면 표면에 얇은 층을 형성하는 점을 착안했다. 이를 이용해 풀러렌 기반 자기조립 소재를 광활성 물질에 혼합해서 코팅했다. 이렇게 하면 산화아연과의 반응하면서 스스로 보호층이 만들어졌다. 즉 풀러렌 기반 자기조립 소재의 카르복실산 말단기와 산화아연 표면의 하이드록실기 사이에서 새로운 화합물이 만들어지는 축합반응이 일어나 그 사이에 보호층이 안정적으로 형성된 것이다. 그결과 산화아연의 안정성을 확보하고 전지의 효율과 수명을 개선했을 뿐만 아니라 코팅 공정을 간소화하는데도 성공했다. 유기 태양전지의 효율이 10% 떨어지기까지 걸리는 시간이 기존 20여 분에서 8시간으로 약 24배 늘어나는 등 전지 수명이 대폭 개선됐다. 강홍규 박사는 "이는 역구조 유기 태양전지의 전자수송층과 광활성층 사이에서 발생하는 안정성 문제를 자기조립층을 이용한 보호막 형성이라는 새로운 방식으로 해결한 것"이라고 말했다. 한편, GIST 차세대에너지연구소 강홍규 박사, 이광희 소장 연구진과 임페리얼칼리지 런던 제임스 R. 듀란트 교수 연구진이 공동 수행하고 GIST 출신 정소영 박사가 제1저자로 참여한 이번 연구는 재료과학 분야의 저명한 국제학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 지난 4월 25일 발표했다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 김동유 교수팀이 유기태양전지를 만드는 공정에 작은 물방울 하나를 첨가해 전기변환 효율을 높였다. 태양전지가 만들어지는 과정에서 물방울을 이용해 전기를 만들어내는 광활성층을 최적화한 것이다. 그결과, 넓은 면적의 유기태양전지 광전효율이 10.47%에서 최고 11.92%로 개선됐다. 김동유 교수는 3일 "고효율·고안정성의 대면적 유기태양전지 대량생산 및 실용화를 앞당기는 데 기여할 것"으로 내다봤다. 유기태양전지는 무기태양전지에 비해 저온 용액 공정이 용이하고 가벼우면서도 유연하며 비교적 투명한 필름을 가지는 것이 특징이다. 연구진은 소량의 물을 이용한 친환경 공법으로 대면적 유기태양전지 제작 과정에서 용액내 분산상태를 쉽게 제어했다. 즉, 유기태양전지 제작 및 준비과정에서 대기시간 동안 발생하는 도너나 억셉터 물질들이 과도하게 뭉치는 것을 막아 최적의 활성층 박막을 얻어냈다. 20마이크로리터의 물을 이용한 수처리 공법은 이중층으로 형성된 물이 유기용매 안에 섞이지 않은 작은 물방울(droplet) 상태로 침투한다. 물방울 주변에 작은 소용돌이를 만들어 유기용매 안의 도너와 억셉터가 뭉치는 것을 막고 고르게 분포하게 만드는 역할을 한다. 도너-억셉터는 유기태양전지 내 햇빛을 받아 전류를 만드는 부분인 '광활성층'을 이루는 물질이다. 전자가 풍부한 '도너' 물질과 전자가 부족한 '억셉터'로 구성돼 있다. 도너는 태양빛을 받아 전자를 만들어 보내고, 억셉터는 도너에서 전자를 받아 분리되며 전류가 생산된다. 연구진은 대면적 유기태양전지 및 모듈을 제작하는데 슬롯 다이 프린팅 방법을 사용했다. 이를 통해 0.1㎠ 소면적 유기태양전지는 최고 13.06%, 10㎠ 대면적 유기태양전지 모듈은 최고 11.92% 효율을 달성했다. 이 기술을 사용하지 않고 만든 유기태양전지의 광전효율은 10.47%였다. 슬롯 다이 프린팅은 면적이 넓은 칼날을 이용해 액적의 맺힘 형태를 유지하며 일정 두께의 박막을 인쇄하는 방법이다. 용액 주입 및 인쇄 속도 등에 따라 다양한 형태 및 두께로 박막 특성을 제어할 수 있어, 최근 대면적 유연 전자 소자를 제작하기 위해 사용되고 있다. 김동유 교수는 "수처리 과정에서 발생하는 작은 소용돌이를 이용해 용액과 필름 상태의 도너-억셉터 분산 상태 모두를 자유자재로 제어할 수 있게 된 것이 이번 연구 성과의 가장 큰 의의"라며 "향후 롤-투-롤(roll-to-roll) 공정이 도입된 대면적 태양전지의 제작과 실용화를 위한 원천 기술을 확보한 것으로 대량생산 기술의 실용화에 기여할 것"이라고 말했다. 한편, 이번 연구는 신소재공학부 김동유 교수가 주도하고, 한나라 박사과정생(제1저자)이 수행해 나노 및 재료 분야의 권위적인 학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)'에 프론트 표지 논문으로 선정됐으며 6월 23일 온라인 게재됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 UNIST 연구진이 박막 태양전지의 전력 생산 효율과 안정성을 동시에 높이는 새로운 기술을 개발했다. 최고 권위 과학저널인 네이처(Nature)지는 이 같은 연구 결과를 20일(현지시각)자로 온라인에 공개했다. UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 석상일 특훈 교수팀은 박막 태양전지 구성층 사이에 집중된 결함을 최소화할 수 있는 중간층의 생성 원리를 밝혀내고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.8% 효율을 갖는 전지를 개발했다고 21일 밝혔다. 이는 논문으로 공식 보고된 세계 최고 효율이다. 미국 재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)으로부터도 25.5%라는 가장 높은 공인 기록을 인증 받았다. 연구팀은 전자전달층과 페로브스카이트 광활성층간에 생성된 이 중간층 물질을 실험을 통해 입증했다. 확인 결과 이 물질은 전자전달층과 광활성층을 원자 수준에서 결함 없이(atomically coherent)연결했다. 포항가속기연구소 X-선 빔라인 등을 실험에 활용했다. 석상일 교수는 “페로브스카이트 광활성층과 전자전달층의 소재와 구조에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 효율과 안정성을 모두 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발할 수 있었다”고 설명했다. 석 교수는 이어 “세계 최고의 인증 효율을 달성한 것은 물론 이를 체계적으로 분석하는 접근법은 후속 연구자들에게 큰 영감을 줄 수 있다는 점에서 뜻깊은 연구”라고 설명했다. 석 교수는 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불렸던 20%를 처음 넘긴 것은 물론, 세계 최고의 공인 효율을 스스로 다섯 차례나 경신했다. 지금도 세계 최고의 기록을 보유하고 있다. 이러한 결과는 지난 2012년에 독자적으로 개발한 페로브카이트 이종접합태양전지 구조 덕분이다. 현재 24%가 넘는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 대부분은 이 구조를 갖는다. 또 세계 최고 권위의 과학저널(journal)인 네이처와 사이언스(Science)에 보고한 논문도 이번으로 8편째에 이른다. 지난 9월에는 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 개발에 기여한 공로로, 2022 랭크 광전자공학상(Rank Prize in Optoelectronics)에 공동 수상자로 선정된바 있다. 영국 랭크 재단에서 수여하는 이 상은 노벨상 수상자를 배출한 저명 과학상이다. 한편, 페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 얇고 가볍고, 유연하게 만들 수 있다. 용액 공정으로 값싸게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힌다. 전하입자(전자, 정공)를 만드는 광활성층 물질로 페로브스카이트를 쓴다. 이번 연구에는 UNIST 반도체소재·부품대학원 신태주 교수(UNIST 연구지원본부 본부장), 포항가속기연구소 김민규 박사, UNIST 민한울 연구원, 이도윤 연구원 등이 참여했다. 연구 수행은 한국연구재단 리더연구자지원사업, 국방과학기술연구소(ADD) 미래도전 국방기술사업 등의 지원으로 이뤄졌다. ulsan@fnnews.com 최수상 기자

[파이낸셜뉴스] 한국재료연구원(KIMS)은 표면재료연구본부 송명관 박사팀이 극한환경에서도 작동하는 고효율의 고체 섬유형 태양전지를 개발했다고 14일 밝혔다. 이 고체섬유형 태양전지는 실험군 대비 약 36% 향상시킨 5.3% 이상의 광전변환효율(PCE)을 가지고 있다. 이 섬유형 태양전지 기술은 낮은 단가와 간단한 합성방법을 이용해 대량생산이 가능해 미래 웨어러블 및 프린터블 시장을 주도할 것으로 보인다. 송명관 박사는 "향후 배터리와 같은 에너지 저장장치와 접목시켜 다양한 휴대용 전자기기의 전원공급 장치로 활용할 수 있을 것"이라고 전망했다. 전하가 이동하는 다공성-이산화티타늄층은 단위 부피당 표면적 값이 높아 광활성층인 염료의 흡착성이 우수하다는 장점이 있지만, 높은 밴드갭으로 가시광선 영역에서의 빛 수확이 어렵다는 단점이 있다. 연구진은 이를 보완하기 위해 광촉매가 합성된 전하수송층 소재 개발에 집중했다. 연구진은 다공성-이산화티타늄층에 은이 내장돼 있는 이산화규소 나노입자를 합성해 국부적 표면 플라스몬 공명(LSPR)을 통해 향상된 광 수확과 전하수송 효과를 얻었다. 연구진은 롤투롤 공정이 가능한 섬유형 태양전지를 개발한 바 있다. 기술의 핵심 소재를 개발한 CEN의 한상철 박사는 "세계 최초로 메조포러스 실리카 나노입자(MSNs)를 대량생산 할 수 있는 CEN의 SMBTM기술을 통해서 태양광 발전효율에 획기적 기틀이 마련되기를 바라며, 4차 산업과 우리 정부가 추구하는 재생에너지 및 2050 탄소중립 비전 정책에도 기여할 수 있기를 바란다."고 말했다. 현재 연구진은 이 기술을 배터리와 접목시켜 에너지 생산뿐만 아니라 저장까지 가능하도록 하는 에너지 융합연구를 수행 중에 있다. 이 태양전지는 ㈜CEN 연구총괄책임자인 한상철 박사와 부산대학교 이형우 교수, 한국항공대학교 신명훈 교수와 함께 연구를 진행했다. 이번 연구결과는 응용 물리, 소재 과학 분야의 세계적 학술지인 '나노 리서치'에 1월 10일자 표지논문으로 선정됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 포항공과대학교(POSTECH)는 화학공학과 조길원 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 높이고 습기에도 오래 버틸 수 있는 유기스페이서 분자첨가제를 개발했다고 16일 밝혔다. 연구진은 분자첨가제를 적용한 태양전지가 21.3%의 광전효율을 달성했다고 말했다. 또한 수분 안전성을 확보해 60%의 상대습도 조건에서 500시간이 지나도 초기 효율의 80% 이상을 유지했다고 설명했다. 페로브스카이트 태양전지는 저비용 공정이 가능하며 우수한 광전기적 특성을 가져 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 핵심 소재인 페로브스카이트 물질이 빛과 수분에 취약해 상용화에 어려움이 있다. 연구진은 페로브스카이트 태양전지가 습기에 취약한 문제를 해결하기 위해 유기스페이서 이온을 첨가했다. 이를 이용해 2차원 및 3차원 페로브스카이트가 공존하는 하이브리드 페로브스카이트 광활성층을 개발한 것이다. 유기스페이서는 3차원 페로브스카이트 결정의 표면에서 2차원 페로브스카이트 구조를 만드는데, 이 구조는 물을 배척하는 성질이 커서 수분에 대한 저항성을 높이는 안정화층 역할을 한다. 또, 새롭게 도입한 유기스페이서는 2차원·3차원 페로브스카이트 결정계면의 기계적 응력을 최소화시켜 3차원 페로브스카이트 결정의 핵생성과 성장을 촉진시킬 수 있음을 최초로 발견했다. 이 결과, 광활성층인 3차원 페로브스카이트 결정의 내부결함이 대폭 감소했다. 조길원 교수는 "이번 연구는 고성능·고안정성 페로브스카이트 태양전지를 만들기 위한 유기스페이서 분자설계의 새로운 관점을 제시해 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화에 이바지할 수 있는 원천기술이 될 것"이라고 전망했다. 이번 연구결과는 에너지 분야에서 세계적인 과학저널 '어드밴스트 에너지 머티리얼즈'의 표지논문으로 최신호에 게재됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지 상용화에 걸림돌이었던 수분 취약성 문제를 해결한 물질이 개발됐다. 이 물질을 쓴 전지는 이제껏 논문으로 보고된 페로브스카이트 태양전지 중 최고 수준의 효율(24.82%)을 기록했다. 수분 안정성과 효율을 동시에 잡은 획기적인 이번 연구 결과는 세계적 과학저널인 Science지에 9월 25일자로 온라인 공개됐다. 이번 연구로 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 상용화가 크게 앞당겨 질 전망이다. UNIST(이용훈 총장)과 한국에너지기술연구원(김종남 원장) 공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 광활성층이 수분에 노출되는 것은 막으면서 전지 효율을 높이는 ‘유기 정공수송층 물질’을 개발했다. 정공수송층은 광활성층이 빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 나르는 역할을 하는 태양전지 구성층이다. 공동연구진은 기존 정공수송층(Spiro-OMeTAD, 스파이로 구조를 갖는 물질)의 수소를 불소로 바꿔(불소 도입) 성능이 좋으면서도 수분을 흡수하지 않는 정공 수송층 물질을 개발했다. 연구팀은 ‘불소 도입’이라는 간단한 방식으로 정공 수송층과 광활성층을 안정화 시켰다. 개발된 정공 수송층 물질은 기존 정공 수송층의 우수한 성능은 유지하면서도 기름처럼 물과 섞이지 않는 성질(소수성)이 강해 수분을 흡수하지 않는다. 기존 정공 수송층이 대기 중 수분을 흡수하는 문제를 해결해 전지가 높은 효율을 오래도록 유지할 수 있다. 수분이 정공 수송층 자체의 성능을 떨어뜨릴 뿐만 아니라 정공 수송층이 흡수한 수분에 노출된 광활성층(페로브스카이트)이 분해되는 복합적인 문제가 있었다. 연구진은 개발된 물질을 태양전지 정공수송층으로 써 24.82% (공인인증 결과 24.64%)의 고효율 페로브스카이트 태양전지를 얻었다. 또 수분 안정성이 해결돼 500시간 동안 고습도 환경에서도 87% 이상의 효율을 유지했다. 반면 기존물질을 정공수송층으로 사용하였을 경우 500시간 후 40%이상의 효율이 감소했다. 특히 공인 인증된 전지의 경우 1.18V의 높은 개방 전압을 보였다. 이는 페로브스카이트 전지가 이론적으로 만드는 전압에 최대로 근접한 수치다. 개방 전압이 높을수록 전력(전력=전압x전류) 생산량이 많아지고 태양전지의 효율이 높아진다. 전지제조를 담당한 한국에너지기술연구원 김동석 박사는 “현재까지 보고된 전압 손실 중에서 가장 낮은 값인 0.3V의 전압손실(페로브스카이트 태양전지기준)로 이론치에 근접한 개방 전압을 얻었다”며 “또 전지를 대면적(1cm2)으로 제작해도 효율(22.31%)의 감소가 적어 상용화 가능성이 밝다”고 설명했다. UNIST 에너지화학공학과 곽상규 교수는 개발된 물질이 우수한 성능을 보이는 이유를 이론적으로 분석했다. 곽상규 교수는 “분자 시뮬레이션 결과 개발된 물질은 광활성층에 흡착됐을 때 기존 물질보다 정공 수송에 더 유리한 흡착 구조를 갖고, 물질 분자 간 정공 수송 효율도 증가시켰다”고 설명했다. 이 물질을 개발한 UNIST 에너지화학공학과 양창덕 교수는 “효율과 안정성이 높은 유기 정공 수송층 개발 연구는 지난 20년 동안 지속되어 왔지만, 이 두 가지 특성을 동시에 만족시킬 수 있는 물질을 찾기 어려웠다”며 “그 동안 양립하기 어려웠던 수분안정성과 효율 문제를 기존 스파이구조 물질에 불소 원자를 도입하는 방식을 통해 동시에 해결한 매우 획기적인 연구”라고 연구 의의를 설명했다. 이번 연구는 한국연구재단, 과학기술정보통신부, 한국에너지기술연구원, 한국에너지기술평가원 등의 지원을 받아 이뤄졌다. ulsan@fnnews.com 최수상 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 유기태양전지 제조 비용을 20분의 1 수준으로 저렴하게 만들 수 있는 기술을 개발했다. 이를 바탕으로 유기태양전지 상용화에 물꼬를 틀 전망이다. 한국화학연구원은 송창은·신원석 박사팀과 경기대학교 임은희 교수팀이 유기태양전지 신소재를 개발했다고 29일 밝혔다. 유기태양전지는 빛을 흡수해 전하를 생성하는 광활성층에 유기물질을 사용하는 차세대 태양전지다. 광활성층은 전자주개와 전자받개로 이뤄져 있다. 빛을 쬐면 광활성층 내부에서 발생한 정공(양전하)과 전자(음전하)가 각각 양극과 음극으로 이동하고, 이 전위차에 의해 전류가 흐르게 되는 원리다. 공동 연구진은 분자구조가 단순한 신소재(T2-ORH)를 개발했다. 단 2단계 만에 합성할 수 있는 소재로, 합성시간과 비용을 크게 줄였다. 실제 신소재 합성비용은 그램당 40달러로, 기존 비풀러렌 소재 합성법의 20분의 1 수준이다. 또한 전자주개 소재가 흡수하지 못하는 단파장 영역(자외선)을 흡수할 수 있어 광전변환효율을 높였다. 경기대 화학과 임은희 교수는 "대학교 학부 유기화학실험 수준의 간단한 합성법을 사용해 단 2단계 만에 저가로 합성하는 소재로도 고성능 유기태양전지를 만들었다"고 설명했다. 연구진은 유기태양전지를 최적의 비율(2:1)로 전자받개 신소재(T2-ORH)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 섞어 만들었다. 실험결과 광전변환효율이 0.1㎠ 기준으로 9.33%를 기록했다. 기존 전자받개 소재(ITIC)와 전자주개 소재(PTB7-Th)를 2:1로 혼용한 유기태양전지 효율은 7.46%(0.1㎠)였다. 화학연구원 송창은 박사는 "기존의 복잡한 화학 구조를 탈피한 신소재의 개발 전략이 앞으로 고성능 유기태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것"이라고 전망했다. 공동 연구진은 여기서 한발 더 나아가 인체와 환경에 유해한 할로겐 용매 대신 비할로겐 용매에서도 용액공정이 가능하도록 용해도를 향상시켰다. 신소재 분자(T2-ORH)의 양 끝에 비대칭적인 곁사슬을 붙이는 방법으로 T2-OEHRH를 만들었고, 비할로겐 용매에서의 용해도를 향상시켰다. 그와 동시에 신소재 특유의 광학적·전기화학적 특성을 그대로 유지하는 데 성공했다. 그 결과, T2-OEHRH와 PTB7-Th를 2:1로 혼용한 유기태양전지는 0.1㎠에서 9.7%, 대면적에서는 6.2% 광전변환효율을 나타냈다. 이번 연구결과는 '어드벤스드 에너지 머티어리얼즈'의 2019년 4월호와 '저널 오브 머티어리얼즈 캐미스트리'의 2019년 10월호, 2020년 5월호에 게재됐다. 또한 관련 연구결과는 국내 및 미국에 특허 등록됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자