한국연구재단, 페로브스카이트 태양전지 상온 재활용 공정 개발
비양자성 극성 용매 이용한 납 성분 제거 및 전지 효율 극대화
  • 2016-06-16
  • 편집부

 

국내 연구진이 수명이 다한 유무기 페로브스카이트 태양전지1) 소자를 안전하고 효율적으로 상온에서 재활용하는 공정을 개발했다.

1) 유무기 페로브스카이트 태양전지 (Organic-inorganic perovskite solar cells) : 페로브스카이트 구조(ABX3)를 가진 유무기 복합체를 광 흡수층으로 사용하는 태양전지. 최근 실리콘 태양전지를 능가하는 높은 효율을 보이며 급부상하고 있는 차세대 태양전지의 한 종류임.

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구실지원사업의 지원을 받은 정현석 교수팀(성균관대학교)이 비양자성 극성 용매2)를 통해 납이 함유된 페로브스카이트 광 흡수층3)을 쉽게 제거하고, 소자의 투명 전도성 기판 및 금속 전극을 효율적으로 재활용이 가능함을 밝혔다.

2) 비양자성 극성 용매 (Polar aprotic solvent) : 극성 용매 중에 H+ 이온을 내지 않는 용매로, 친핵성(Nucleophilic) 특성을 가짐.

3) 광 흡수층 : 태양전지에서 태양 빛을 받아 전자-정공 쌍을 만들어내는 부분임. 광 흡수층은 높은 에너지의 태양 빛을 흡수하기 위한 밴드갭 에너지, 동일 두께에서 많은 빛을 흡수 할 수 있는 높은 흡광도, 생성된 전자-정공을 외부회로로 효율적으로 이동시키기 위한 우수한 전하 이동 특성을 지닌 물질로 이루어짐. 흔히 말하는 실리콘 태양전지에서는 실리콘, 유기물 태양전지에서는 유기물이 빛을 받아 전자-정공 쌍을 만드는 광 흡수층 물질로 사용된다.

본 연구결과는 국제적으로 권위 있는 과학 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’에 5월 23일자로 게재됐다.

페로브스카이트 태양전지는 광 흡수층이 높은 빛 흡광도를 가지고 있어 500 nm 이하의 두께에서도 박막 실리콘 태양전지를 뛰어넘는 22%에 달하는 광전변환효율4)을 보여주고 있으며, 광 흡수층 형성시 정상 압력과 저온환경에서 공정이 가능해 공정 단가 절감 및 유연 소자 제작이 용이하다는 장점도 가지고 있다.

4) 광전변환효율 : 빛 에너지를 받아 전기 에너지로 변환 시키는 능력을 나타낸다. 흔히 태양전지의 효율이 높다는 것은 높은 광전변환효율을 가진다는 의미로 태양전지에 들어온 빛 에너지 대비 생산하는 전기 에너지의 비율로 그 값을 나타냄.

그러나 수명이 다한 페로브스카이트 태양전지를 폐기하는 과정에서 광 흡수층에 함유된 납(Pb) 성분이 인체와 환경에 나쁜 영향을 미칠 우려가 있으며, 페로브스카이트를 구성하는 투명 전도층5), 전자 이동층6), 금속 전극7)은 실리콘 태양전지에 비해 값이 비싼 소재로 이루어져 있어 보급에 어려움이 있는 실정이다.

5) 투명 전도층: 빛을 잘 투과시키면서 전도성을 가진 물질로 광전변환소자 (태양전지, 물 분해, 발광다이오드 등)의 상·하부 전극으로 사용됨.

6) 전자 이동층: 태양전지 내부 광흡수층에서 생성된 전자 (혹은 정공)를 받아 외부 회로로 이동시키기 위한 물질로, 광 흡수층에 도달하는 빛의 양을 저하시키지 않으면서 전하 이동에 유리한 에너지 대역을 가진 물질로 구성됨.

7) 금속 전극: 태양전지에서 생성된 전하를 외부 회로로 이동시키지 위한 금속 층으로, 페로브스카이트 태양전지에서는 주로 금이나 은과 같은 값 비싼 귀금속이 사용됨.

이에 정현석 교수팀은 극성 비양자성 용매를 이용해 광 흡수층에 함유된 납을 안전하게 99.99% 이상 제거했다.

● 페로브스카이트 태양전지를 극성 비양자성 용매에 넣으면, 수 초 이내에 재사용 가능한 태양전지 기판과 금속 전극이 분리됨을 확인했다.
● 이러한 결과는 페로브스카이트 광 흡수층의 뼈대를 형성하는 팔면체의 PbI6의 납(Pb)과 공명 구조8)를 가진 극성 비양자성 용매 사이 반응에 의한 것이다.

8) 공명 구조: 극성 비양자성 용매는 가지고 있던 이중결합의 위치가 변하는 가역적 공명 현상을 보인다. 이러한 공명 구조에서 결합을 잃은 원자가 상대적으로 부분적으로 음전하를 띄게 되고, 이렇게 형성된 음전하가 납과 결합을 형성한다.

또한 위와 같은 세척 공정을 거쳐 광 흡수층이 제거된 투명 전도성 기판을 재활용 할 수 있음을 밝혀냈다.

● 이는 세척된 투명 전도성 기판을 사용해 태양전지 소자 제작 시 효율이 100% 가까이 유지되는 점에 따른 것으로,
● 세척 후 광학적·결정학적으로 기판을 분석해 그 특성이 유지됨을 확인했다.

정현석 교수는 “용매를 통한 상온에서의 간단한 세척 공정을 이용해 페로브스카이트 태양전지의 환경적인 문제를 해결하고 경제성을 높일 수 있는 새로운 방안을 제시했다”며, 연구의 의의를 밝혔다. 

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