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조선대학교 화학교육과 이재관 교수, 연구 논문 네이쳐 자매지인 ‘사이언티픽 리포트’ 온라인호 개제“무독성 용매를 이용한 환경친화적 페로브스카이트 박막 형성 기술개발” “저비용 연속흡착공정으로 페로브스카이트 활성층의 대면적 제조기술의 난제해결”
윤병훼 기자  |  yoon4707@hanmail.net
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승인 2018.02.02  20:01:31
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   이재관 교수

조선대학교(총장 강동완)는 화학교육과 이재관 교수 연구팀이 발표한 ‘환경친화적 저비용․대면적 페로브스카이트 박막 제조 기술 개발’이라는 연구논문이 세계적인 학술지인 네이쳐 자매지 ‘사이언티픽 리포트’에 2월 1일자 온라인호에 개제되었다고 밝혔다.

이재관 교수 연구팀은 연속흡착반응공정을 이용하여 대면적 페로브스카이트 필름을 저렴한 비용으로 단시간 대량 생산할 수 있으며 특히, DMF와 같은 유독성 용매를 사용하지 않아 환경 친화적이면서 전력변환효율이 우수한 태양전지용 페로브스카이트 박막을 형성하는 제조기술을 개발하였다.

최근 유기-무기 하이브리드 광흡수 재료를 사용하는 고효율의 초박형 페로브스카이트 태양전지가 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 대안으로 광범위하게 연구되어 왔다. 페로브스카이트에 기반한 태양전지는 높은 광흡수계수, 장거리 균형 캐리어 확산 길이, 높은 결정성 및 우수한 전하 캐리어 이동도와 같은 독특한 특징들로 인해서 최근 5년간 전례 없이 빠르게 개선되어왔다.

게다가 페로브스카이트 태양전지는 저온에서 저렴한 용액 가공 단계에 의해서 제조될 수 있으며, 가장 최근에는 20.1%의 기록적인 효율이 검증되었으며 페로브스카이트 태양전지의 전력변환효율(PCE)은 최신 단결정 실리콘 태양전지의 수준인 25% 이상까지 더 증가 될 것으로 예상되었다.

하지만, 종래 페로브스카이트 태양전지는 용액 가공 단계를 통해 제조되었으며, 이때 사용되는 용액은 γ-부틸락톤 (γ-butylactone, GBL), 디메틸포름아미드 (dimethylfomamide, DMF), 디메틸설폭사이드 (dimethylsulfoxide, DMSO), 톨루엔 (toluene) 등과 같은 유독성 유기용매들이 사용되고 있다. 또한, 이들을 포함하는 페로브스카이트 전구체 용액의 스핀 코팅 공정을 적용하기 때문에, 대면적 페로브스카이트 박막을 형성시키기 위한 생산비용 및 환경, 기술적인 문제로 대면적 페로브스카이트 태양전지를 제조하는데 한계가 있었다.

□ 이재관 교수 연구팀은 할로젠을 포함하지 않는 납전구체를 적용해 물과 같은 무독성 용매에 녹인 전구체 용액에 얇은 산화아연 (ZnO) 층이 형성된 기판을 침지시키고, 표면에 납 전구체가 흡착된 기판을 MAI(Methylammonium Iodide : CH3NH3I)용액에 침지시키는 과정을 통해 성공적으로 페로브스카이트 박막을 제작하였다. 또한 이와 같은 침지과정을 순차적으로 반복 수행하는 연속흡착반응공정을 이용하여 페로브스카이트 박막의 몰폴러지를 제어하여 고효율 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다.

또한, 이교수 연구팀은 연속흡착반응에서 생성된 페로브스카이트 결정이 열처리과정에서 고체상 이온-교환 반응(Solid-state ion-exchange reaction, SIER)이 일어나 분해돼는 현상을 발견하고, 이로 인해 발생되는 결점들로 인한 한계를 극복하기 위해 연속 고체상 이온-교환 반응 (Successive Solid-state ion-exchage reaction, SSIER)에 대한 새로운 모델을 제시하였다.

이재관 교수(교신저자)와 그의 지도학생인 무하마드 아드난(제1저자)이 수행한 본 연구는 한국연구재단 기초연구지원사업(기본)의 지원을 받았으며, ‘네이처(Nature)’ 자매지인 ‘사이언티픽 리포트 (Scientific Reports)’ 2월 1일 온라인 호에 ‘All Sequential Dip-Coating Processed Perovskite Layers from an Aqueous Lead Precursor for High Efficiency Perovskite Solar Cells’이라는 제목으로 게재되었다.

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