신진연구자 칼럼 NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 35, No. 2, 2017 … 203 1. 서론 최근 우리나라의 대기오염이 심각한 사회적 이슈 가 되어 작년에 미국 항공우주국(NASA)과 공동으로 우리나라 미세먼지 농도 등 대기오염 정도를 조사한 바 있다. 조사결과는 가희 충격적이었다. “한국의 대 기오염은 매우 위험한 수준”이라는 결과보고가 나왔 다. 그 이유로 무분별한 화력발전소 가동과 도심에 서 운행 중인 차량이 원인이라고 규정하였다. 이처럼 화석연료 사용에 따른 심각한 문제점과 앞으로 고갈 될 화석에너지원을 대체하기 위한 청정 에너지자원 의 필요성이 부각되면서 신재생에너지에 대한 중요 성이 세삼 절실하다. 특히 11개의 신재생에너지 중에 서 무한한 자원보고인 태양광을 전기 에너지로 바꾸 는 태양전지는 차세대 대체 에너지원으로서 각광 받 아 왔다. 하지만 현재 상용화 되고 있는 대부분의 태 양전지는 결정질 실리콘 기판을 사용하여 만든 1세대 태양전지로 제작공정이 복잡하고 고순도 실리콘 원 료의 필요성으로 인한 높은 제조 단가 때문에 경제성 확보에 어려움을 겪고 있다. 또한 2세대 태양전지라 불리는 무기반도체 박막기반의 고효율 태양전지 역 시 watt당 생산단가가 높은 단점이 있다. 이에 반해, 유기태양전지는 기존 실리콘계 태양전지와 달리 가 공이 쉽고 재료가 다양하며, 가격 또한 저렴하여 경 제성은 높으나, 상대적으로 빛을 전기로 바꾸는 광전 변환 효율이 낮고 오래 사용할 경우 안정성이 떨어져 상용화에 어려움이 있다. 특히 낮은 효율의 단점을 극복하기 위해서 1990년대 발견된 염료감응형 태양 전지가 꾸준히 연구되어 왔으나 그림1에서처럼 2000 년대 접어들어 효율증가가 답보상태에 도달하였다. 많은 연구자들의 새로운 태양전지 연구에 대한 갈망 은 2009년 일본의 Toin 대학의 Miyasaka 그룹에서 페 로브스카이트(페롭) 구조 물질을 이용하여 3.8% 광전 효율의 태양전지로 처음 구현이 되었다[1]. 특히 페롭 구조의 태양전지는 초기의 낮은 광전효율에도 불구 하고 7년 만인 2016년 22.1% 의 높은 효율을 보일정도 로 급격한 기술 진보를 보였다. 그리고 앞으로도 30% 이상까지 효율이 상승할 것으로 예상되는 혁신적인 차세대 태양전지이다[2]. 2. 본론 페로브스카이트의 정의와 태양전지 원리 페로브스카이트(페롭)라는 말은 19세기 초 러시 페로브스카이트 구조를 이용한 새로운 패러다임의 태양전지 서형기 전북대학교 화학공학부 [email protected]2000 전북대학교 화학공학부 공학사 2006 전북대학교 화학공학부 공학박사 2008 콜로라도 주립대학교 화학과 Research Associate 현재 전북대학교 화학공학부 조교수
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페로브스카이트 구조를 이용한 새로운 패러다임의 태양전지 · 신진연구자 럼 news & information for chemical engineers, vol. 35, no. 2, 2017 … 203 1.
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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 35, No. 2, 2017 … 203
Table 1. Summary of the highest-performing HTMs[7]
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NEWS & INFORMATION FOR CHEMICAL ENGINEERS, Vol. 35, No. 2, 2017 … 207
을 사용함으로써 유연성을 가능케 하거나, 유기태양
전지에서 사용한 방식인 전자받게 물질로 PCBM 전
자주게 물질로 PEDOT:PSS 등을 활용하는 방법 등이
다. 그림 5는 유연기판의 특징을 가진 페롭 태양전지
를 총괄 효율에 따라 정열 하였다. 유연성을 가짐과
동시에 높은 총괄 효율을 보이고 있는 점에서 앞으로
많은 잠재 가능성 있을 것으로 예상된다.
3. 결론
페롭 태양전지는 높은 에너지총괄 효율뿐만 아니
라 기판을 자유롭게 이용할 수 있는 유연특성을 갖는
등 많은 활용 잠재력을 가지고 있으며, 또한 2016년
12월 한국과학기술단체총연합회(KOFST)가 주관하
는 올해의 10대 과학기술뉴스에 선정되는 등 차세대
전도유망한 연구 분야이다. 최근에는 그동안 단점으
로 지적되어 온 습도에 따른 안정성문제에 대해서 소
수성 고분자로 코팅해서 수분의 침투를 해결하려 하
였고, 빛에 의한 안정성문제에 대해서는 불소중합체
를 활용하여 해결하는 등 많은 연구결과가 발표되고
있으나 여전히 태양전지 작동시 온도에 따른 광 안정
성, 열적 안정성 문제, 납(Pb)의 독성문제 등 해결해
야 할 것들이 많이 있다. 따라서 앞으로 실용화를 위
해서는 지속적인 연구와 사업화가 필요한 실정이다.
4. 참고문헌
1. A. Kojima, K. Teshima, Y. Shirai, and T. Miyasaka, J. Am. Chem. Soc., 131, 6050 (2009).
2. C. D. Bailie, et al., Energy Environ. Sci. 8, 956 (2015).3. D. Weber, Z. Naturforsch. 33 b, 1443 (1978).4. F. Hao , C. C. Stoumpos , R. P. H. Chang , M. G. Kanat-
zidis, J. Am. Chem. Soc., 136, 8094 (2014) 5. H. S. Jung, and N.-G. Park, Small, 11, 10 (2015)6. J.-H. Im, H.-S. Kim, and N.-G. Park, APL Materials, 2,
081510 (2014)7. S. Ameen, M. A. Rub, S. A. Kosa, K. A. Alamry, M.
S. Akhtar, H-S Shin, H-K Seo, A. M. Asiri, and M. K. Nazeeruddin, ChemSusChem 9, 10 (2016).
8. H.-S. Kim, C.-R. Lee, J.-H. Im, K.-B. Lee, T. Moehl, A.Marchioro, S. J. Moon, R. Humphry-Baker, J. H. Yum, J. E. Moser, M. Grätzel, and N.-G. Park, Sci. Rep., 2, 591 (2012).
9. http://www.nrel.gov/ncpv/images/efficiency_chart.png10. B. Susrutha,a Lingamallu Giribabuab and Surya