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[Technical News]국내 연구진 개발한 계면제어 물질, 태양전지 수명·효율 높인다

저렴·간단한 공정으로 히스테리시스 제거 성공

[Technical News]국내 연구진 개발한 계면제어 물질, 태양전지 수명·효율 높인다 - 다아라매거진 기술이슈
개발된 새로운 계면조절 물질 및 전기적 특성비교



국내 연구진이 순수 자체 기술로 저렴하면서도 간단한 공정을 거쳐 태양전지의 히스테리시스를 없애 수명과 효율을 상승시키는 기술을 개발해 관계자들의 시선이 집중되고 있다.

한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구)의 지원을 받은 진성호 교수(부산대)·노용영 교수(동국대) 등 공동연구팀이 태양전지의 광전환 효율과 수명을 높일 수 있는 새로운 계면제어 물질을 개발했다고 밝혔다.

페로브스카이트 및 유기 태양전지는 태양빛을 받아 자유전자(-)와 홀(+)을 생성하고 이들이 각각 전자전달체와 홀 전도체를 통
해 전극으로 이동해 전기를 생산하는 소자다. 특히 페로브스카이트 태양전지는 내부에서 발생하는 전자와 홀의 이동속도 차이가 크기 때문에 히스테리시스가 발생해 효율이 급격히 감소한다.

연구팀은 이 문제점을 해결하기 위해 저온공정(<150℃)이 가능한 산화아연(ZnO) 전자 전달체 위에 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드를 결합한 새로운 계면조절제어물질을 대기 중에서 박막코팅을 실시한 결과, 산화아연(ZnO)의 전자이동도가 약 2배 증가했다.

특히 페로브스카이트 태양전지에서 효율 감소의 원인인 히스테리시스가 없고, 광활성층과 산화아연층 사이에 계면제어 물질을 도입해 수분과 산소를 차단할 수 있어 소자의 수명이 대략 1.5배 이상 우수하게 나타났다.

이 연구에서 개발된 계면제어물질을 연구팀은 PO-TAZ(피오타즈)라고 명명했다. 피오타즈는 트리아진 분자와 포스핀 옥사이드 분자 간 결합을 잘하기 위해 매개체인 다이플로로 벤젠 그룹을 도입했다.

특히 계면제어물질은 간단한 공정을 통해서 고품질의 필름을 형성할 수 있으며, 전자이동도를 증가시켜 태양전지의 효율을 증가시킬 수 있다고 연구팀은 밝혔다.

계면 제어물질을 사용해 페로브스카이트 태양전지를 제작한 결과, 광전환 효율이 13.6%에서 16.23%로 향상됐으며, 히스테리시스가 존재하지 않는 전류-전압 곡선을 얻었다.

또한, 소자의 수명도 40일이 지나더라도 초기 효율 대비 85% 이상을 보여주었다. 아울러 유기태양전지에서도 광전환 효율이 8.55%에서 10.04%로 향상됐다.

진성호 교수는 “이번 연구는 비교적 저렴하면서도 간단한 공정으로 히스테리시스가 없는 장수명 페로브스카이트 및 유기 태양전지를 개발한 것이다.

향후 차세대 태양전지 및 유기발광다이오드, 유기박막트랜지스터 등 다양한 유기전자 소자들의 특성 향상 및 수명 향상에 기여 할 수 있을 것” 이라고 연구의 의의를 설명했다.
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