페로브스카이트 태양전지 고효율 원인 규명

차세대 고효율 박막 태양전지 개발 실마리 제공

김 미 선 기자

염료감응 태양전지는 식물의 광합성 작용을 모방한 차세대 태양전지로, 광합성시 빛을 전자로 변환하는 엽록소라는 천연염료 대신 인공적으로 합성된 염료를 TiO2(이산화티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다.

염료감응 태양전지의 작동 원리는 이산화티타늄 표면에 흡착된 염료가 태양빛을 받으면 전자를 발생시키고, 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 전기에너지를 생성하는 것으로, 전기적 일을 마친 전자는 전해질 또는 홀전도체를 경유해 다시 염료의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

염료감응 태양전지는 두 가지 형태로 제조될 수 있다. 그 하나는 염료가 흡착된 이산화티타늄 광전극과 산화환원 전해질로 구성된 액체형 구조며, 다른 형태는 액체 전해질 대신 고체 홀전도체로 구성된 고체형 구조다. 액체 전해질은 주로 요오드 물질을 이용하게 되며, 고체형 홀전도체는 스피로(Spiro)라는 물질을 이용한다. 액체 전해질형은 이산화티타늄 필름 두께가 10마이크로미터 이상을 요구하는 반면, 고체형은 1~2마이크로미터로 더 얇은 박막구조가 가능하다. 액체 전해질은 전해질 누액이 문제가 될 수 있지만, 고체형은 이런 문제가 발생하지 않아 보다 안정적인 태양전지가 가능하다. 최근에는 장기 안정성 문제를 해결하면서 박막화로 낮은 제조단가가 가능한 고체형 연구에 많은 노력이 집중되고 있다.

염료로는 천연염료, 합성염료 등이 많이 사용돼 왔으며, 주로 유기물질(탄소, 수소, 산소, 질소로 이뤄진 물질)로 구성돼 있다. 유기염료의 경우 흡광계수(빛을 흡수하는 정도)가 10,000~50,000 정도이기 때문에 빛을 충분히 흡수하기 위해서는 이산화티타늄 두께가 10마이크로미터 이상이 요구되는 반면, 무기물질(주기율표에서 모든 원소)로 구성된 염료는 유기염료보다 흡광계수가 10배 이상 높기 때문에 상대적으로 낮은 1~2마이크로미터 두께의 이산화티타늄에서도 충분히 빛을 흡수할 수 있다. 이런 이유로 최근 고체형 박막 염료감응 태양전지에서는 무기물질을 나노 크기로 이산화티타늄에 흡착하는 고효율화 연구에 주력하고 있다.

이와 관련해 최근 이 연구팀은 페로브스카이트 구조를 갖는 CH3NH3PbI3 광흡수 물질과 Spiro-MeOTAD 홀전도체를 이용해 표준 태양광 조건에서 9.7%의 고체형 염료감응 태양전지를 최초로 개발했으며, 이를 2012년 8월 네이처 싸이언티픽 리포트에 발표한 바 있다. 이후 페로브스카이트 광흡수체를 이용해 15%의 고효율 결과가 연이어 발표되는 등 페로브스카이트 물질의 우수성이 증명되고 있다. 하지만 왜 페로브스카이트 물질을 이용할 경우 기존의 유기염료나 양자점을 이용할 때보다 탁월한 광전변환 특성이 나타나는지에 대한 원인 규명이 이뤄지지 않았다.

연구팀은 페로브스카이트 광흡수 물질을 적용한 소자의 구동 원리를 밝혔으며, 광전환에 필수적인 전하 축적의 원리를 임피던스 스펙트로스코피를 통해 규명했다. 이는 생성된 전하가 광흡수 물질 자체에서 축적됨을 세계 최초로 관찰한 첫 번째 연구 결과다. 따라서 페로브스카이트 물질은 기존 염료들로 구성된 태양전지와는 다른 특성을 가지는 새로운 시스템을 구성하며, 이에 따른 새로운 접근이 필요함을 시사했다.

이번 연구를 위해 연구팀은 우선 CH3NH3PbI3 페로브스카이트를 적용한 고체 소자의 전반적인 특성을 다공성 반도체 산화물 구조 및 종류에 따라 알아봤다(그림 1). 모든 소자들은 높은 전압을 보였고, 전류밀도는 다공성 TiO2, 다공성 ZrO2, 다공성 산화물이 없는 Flat 전극으로 갈수록 줄어들며 같은 경향의 광전한 효율을 보였다. TiO2 전극의 전도띠는 CH3NH3PbI3의 전도띠보다 아래에 위치해 여기된 전자가 주입될 수 있지만, 일반적으로 ZrO2의 경우 전도띠가 페로브스카이트의 전도띠보다 위에 위치해 전자가 주입될 수 없었다. 그러나 CH3NH3PbI3가 적용된 소자의 경우 구동하는 독특한 현상을 보임을 확인할 수 있었다.

그 후 연구팀은 액체 전해질 내에서 Three-electrode 전기화학 측정법을 통해 TiO2와 ZrO2 전극의 차이를 관찰했다. 그들은 그림 2에서와 같이, TiO2로 구성된 전극의 경우 커패시턴스(Capacitance)가 가하는 전압에 따라 증가하는 데 반해, ZrO2은 전혀 커패시턴스를 나타내지 않아 ZrO2 전극에는 전하가 축적되지 않음을 파악할 수 있었다. 단, TiO2가 Compact Layer로 구성되고 ZrO2이 다공성 필름으로 구성된 전극(TZ)은 캐패시턴스가 증가하는데, 이는 ZrO2에 기인한 것이 아니라 Compact Layer를 구성하는 TiO2에서 기인한다.

또한 그들은 그림 3과 같이, 암흑(Dark)과 빛(Light) 상태에서 IS 측정을 통해 TiO2와 ZrO2 전극을 사용했을 때의 다른 구동 양상을 광전환에 필수적으로 필요한 프로세스인 전하 축적에 집중해 분석했다. 그림 3에서 IS 플롯을 살펴보면, TiO2와 ZrO2이 분명히 다른 특성을 가짐에도 불구하고, Dark와 Light 조건에서 모두 비슷한 패턴을 나타내는 것을 알 수 있다.

그림 4의 왼쪽 그래프는 페로브스카이트 염료가 포함되지 않거나 Flat 구조를 가져서 페로브스카이트 물질의 밀도가 매우 작을 때의 소자 커패시턴스를, 오른쪽 그래프는 반도체 산화물 종류 및 구조에 따른 페로브스카이트가 흡착된 소자의 커패시턴스 특성을 보여주고 있다. 붉은색과 녹색의 가이드라인에서 확인할 수 있듯, 연구팀은 페로브스카이트 염료가 포함된 소자의 경우 더 높은 커패시턴스를 관찰할 수 있었다. 이 증가한 커패시턴스는 왼쪽의 구조와 비교해 보았을 때, TiO2 Compact Layer와 정공 전달 물질로 사용된 Spiro-MeOTAD에서 기인한 것이 아니며, 또한 다공성 필름으로 사용된 TiO2에서 기인한 것도 아니었기 때문에 유일하게 남은 가능성인 다공성 필름에 코팅된 페로브스카이트 물질로부터 기인된 커패시턴스라고 판단했다. 즉, 연구팀은 이 결과를 통해 페로브스카이트 물질 내 전하 축적을 직접적으로 관찰할 수 있었으며, 이처럼 높은 커패시턴스는 물질의 높은 DOS를 의미함을 밝혀낼 수 있었다.

이미 염료감응형 태양전지로부터 관찰된 커패시턴스는 다공성 TiO2 필름으로부터 추출된 것이라는 점은 매우 잘 알려진 사실이다. 연구팀은 그림 5에서와 같이, 일반적인 N719 염료(루테늄금속을 포함한 유기금속 물질)가 사용된 고체 태양전지에(중간 주파수(if)에서 관측된 반구에서 해석된 열린 붉은 역삼각형) 높은 전압을 가했을 때만 TiO2 필름이 전도성을 나타내기 시작하면서 커패시턴스를 보이는 점을 확인했다. 하지만 동일한 필름 구조에서 N719 대신 페로브스카이트 물질이 사용된 경우 낮은 전압을 가한 영역에서 관찰되는 높은 커패시턴스는 TiO2가 아닌 페로브스카이트 물질에 기인한다는 점도 알 수 있었다.

연구팀은 이것이 일반적인 유기염료를 사용하는 태양전지와 페로브스카이트 물질을 광흡수 물질로 사용하는 태양전지의 구동 원리가 다름을 의미하며, 페로브스카이트 물질을 사용하는 태양전지는 새로운 종류의 태양전지라는 점을 시사했다. 또한 이러한 새로운 종류의 소자를 이해하기 위해서는 기존과 다른 해석이 필수적이라고 덧붙였다.