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이종(異種) 소재를 무결점으로 연결하는 방법으로 박막 태양전지의 전력 생산 효율과 안정성을 동시에 높이는 새로운 기술이 개발됐다. 최고 권위 과학저널인 네이처(Nature)지는 이 같은 연구 결과를 10월 20일(현지시각)자로 온라인에 공개했다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 석상일 특훈 교수팀은 박막 태양전지 구성층 사이에 집중된 결함을 최소화할 수 있는 중간층의 생성 원리를 밝혀내고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.8% 효율을 갖는 전지를 개발했다. 이는 논문으로 공식 보고된 세계 최고 효율이다. 미국 재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)에서 인증 받은 공인 기록도 25.5%로 가장 높다

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이 중간층은 박막형태 이종소재 구성층 사이에서 완충재 역할을 해 결함을 획기적으로 줄인다. 결함은 내구성뿐만 아니라 전자(전기입자)의 흐름을 방해해 효율도 떨어뜨린다. 특히 구성 원소와 원자가 배열된 모양 자체가 다른 이종 소재가 맞닿는 지점(계면)에서는 배열이 찌그러져 원자가 빠지는 등의 결함이 쉽게 생긴다. 구성층 끼리 약한 물리적 결합으로만 연결되기 때문이다.

연구팀은 전자전달층과 페로브스카이트 광활성층간에 생성된 이 중간층 물질을 실험을 통해 입증했다. 확인 결과 이 물질은 전자전달층과 광활성층을 원자 수준에서 결함 없이(atomically coherent)연결했다. 포항가속기연구소 X-선 빔라인 등을 실험에 활용했다.

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이러한 중간층은 전자전달층의 주석 성분 덕분에 만들어졌다. 주석(Sn)은 2가 양이온 (Sn2+)인 동시에 4가 양이온(Sn4+)이 될 수 있다. 또 전자전달층내 산소 이온뿐만 아니라 페로브스카이트의 염소 이온과도 결합할 수 있다. 연구팀은 바로 이 두 가지 원리에서 착안해 전자전달층과 페로브스카이트를 원자단위에서 결정구조학적으로 연결하는 중간층을 얻을 수 있었다.

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석상일 교수는 “페로브스카이트 광활성층과 전자전달층의 소재와 구조에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 효율과 안정성을 모두 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발할 수 있었다”고 설명했다.

석 교수는 이어 “세계 최고의 인증 효율을 달성한 것은 물론 이를 체계적으로 분석하는 접근법은 후속 연구자들에게 큰 영감을 줄 수 있다는 점에서 뜻깊은 연구”라고 전했다.

석 교수는 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불렸던 20%를 처음 넘긴 것은 물론, 세계 최고의 공인 효율을 스스로 다섯 차례나 경신했다. 지금도 세계 최고의 기록을 보유하고 있다. 이러한 결과는 지난 2012년에 독자적으로 개발한 페로브카이트 이종접합태양전지 구조 덕분이다. 현재 24%가 넘는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 대부분은 이 구조를 갖는다. 또 세계 최고 권위의 과학저널(journal)인 네이처와 사이언스(Science)에 보고한 논문도 이번으로 8편째에 이른다. 지난 9월에는 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 개발에 기여한 공로로, 2022 랭크 광전자공학상(Rank Prize in Optoelectronics)에 공동 수상자로 선정된바 있다. 영국 랭크 재단에서 수여하는 이 상은 노벨상 수상자를 배출한 저명 과학상이다.

한편, 페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 얇고 가볍고, 유연하게 만들 수 있다. 용액 공정으로 값싸게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힌다. 전하입자(전자, 정공)를 만드는 광활성층 물질로 페로브스카이트를 쓴다.

이번 연구에는 UNIST 반도체소재·부품대학원 신태주 교수(UNIST 연구지원본부 본부장), 포항가속기연구소 김민규 박사, UNIST 민한울 연구원, 이도윤 연구원 등이 참여했다. 연구 수행은 한국연구재단 리더연구자지원사업, 국방과학기술연구소(ADD) 미래도전 국방기술사업 등의 지원으로 이뤄졌다.

https://news.unist.ac.kr/kor/20211021-1/

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무르고 쉽게 녹이 생기는 ‘철’에 소량의 다른 금속을 첨가하면 단단하고 녹슬지 않는 ‘스테인리스 스틸(stainless steel)’이 만들어진다. 이처럼 첨가물을 통해 ‘페로브스카이트(Peroveskite)’의 단점을 잡을 기술이 개발됐다. 차세대 태양전지로 큰 주목을 받는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 상용화가 빨라질 전망이다.

UNIST(총장직무 대행 이재성) 에너지 및 화학공학부의 석상일 교수팀은 새로운 조성을 가진 페로브스카이트 물질로 광흡수층 소재를 만들고, 이를 태양전지에 적용한 결과를 ‘사이언스(Science)’ 11월 7일자 온라인판에 발표했다. 새로운 개발한 소재는 첨가물을 바꾸는 것만으로 기존 페로브스카이트 태양전지보다 효율과 안정성(내구성)을 크게 높여 눈길을 끈다.

페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 혼합해 만들기 때문에 저렴하고, 저온에서 용액 공정으로 손쉽게 제조할 수 있어 간편하다. 이런 이유로 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 뒤를 이을 차세대 태양전지 후보로 손꼽힌다.

태양전지의 핵심은 태양광을 직접 흡수해 전자를 생산하는 ‘광활성층’이다. 이 부분이 얼마나 튼튼하고 안정적인지(내구성), 또 빛을 전기로 바꾸는 효율이 얼마나 높은지가 상용화의 관건이 된다. 페로브스카이트 태양전지에서는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질이 광활성층으로 쓰이는데, 이 부분의 안정성 강화와 효율 향상이 상용화를 위한 과제였다.

광활성층의 효율은 물질 원자 내 전자의 에너지 구조인 ‘밴드 갭(Band Gap)’에 의해 결정된다. 밴드 갭이 좁을수록 태양광 중에서 흡수 가능한 파장대가 넓어지므로, 광활성층인 페로브스카이트 물질의 밴드 갭을 좁히는 게 중요하다. 그런데 기존 광활성층의 경우 페로브스카이트 결정 구조가 바뀌지 않게 넣어주던 메틸암모니윰(MA, Methylammonium)나 브롬(Br) 같은 물질이 오히려 밴드 갭을 넓혔다. 페로브스카이트 결정 구조의 안정성을 유지하려 한 선택이 광활성층의 효율을 낮추게 된 것이다. 심지어 메틸암모니윰은 광활성층의 내구성도 낮추는 문제를 보였다.

석상일 교수팀은 브롬과 메틸암모니윰을 대신해 다른 ‘2가 유기 양이온’(메틸렌다이암모늄, MDA)을 첨가했다. 새로운 첨가물은 결정구조를 안정하게 만들면서 효율도 유지해 광활성층의 안정성과 효율성을 동시에 잡았다.

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이번 논문의 제1저자인 민한울 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “이번 연구는 페로브스카이트 물질의 내구성을 위해 주로 첨가하던 물질이’ 1가 양이온’이라는 고정관념에서 벗어난 시도가 좋은 결과로 이어진 것”이라며 “2가 유기 양이온을 첨가한 페로브스카이트의 효율은 23.7%였고, 실제 태양광을 쪼여주는 환경에서 600시간 이상 가동해도 90% 이상 안정적으로 작동했다”고 설명했다.

석 교수팀은 페로브스카이트 태양전지 분야의 흐름을 세계적으로 선도하는 연구진으로 유명하다. 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불리는 20%을 처음 넘긴 것은 물론 최고 효율을 스스로 네 차례나 경신한 이력을 가지고 있다. 페로브스카이트 태양전지 관련해 사이언스에 보고한 논문도 이번으로 5편에 이른다.

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이번 연구는 기존에 사용하던 조성과 완전히 다른 새로운 조성의 소재로 태양광의 흡수 파장대역을 넓혔다. 이를 통해 광전류 밀도를 세계 최고로 증가시키면서도 열·광·수분 안정성을 크게 향상시켰다.

석상일 교수는 “논문 투고 이후 추가로 최적화된 전하 전달 소재를 개발했고 계면 결함 최소화 연구도 진행해, 이들을 조합하면 26% 이상의 효율 달성이 가능할 것”이라고 전망하며 “UNIST 창업기업인 ‘프론티어에너지솔루션㈜(대표이사 이용희)와 함께 대면적 모듈 기술을 접목해 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 연구를 이어갈 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 미래창조과학부 리더연구사업, 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지스스템연구단)과 기후변화대응사업의 지원으로 수행됐다.

https://news.unist.ac.kr/kor/20191108-1/

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UNIST 소속 교수 7명이 ‘2018 세계에서 가장 영향력 있는 연구자’에 선정됐다. 재료과학과 화학 분야에서는 3명씩 선정되며 해당 분야에서 경쟁력을 보여줬다.

클래리베이트 에널리틱스(Clarivate Analytics)는 27일(목) 오후 5시 ‘2018 HCR(Highly Cited Researchers)’을 공식 발표했다. HCR은 ‘논문 피인용 횟수가 많은 연구자’로 각 분야별 논문 인용수를 기준으로 선정한다. 매년 피인용수 기준 ‘세계 상위 1% 연구자’가 HCR에 오르며, 올해 다섯 번째 결과가 공개됐다.

올해 명단에 이름을 올린 한국 기관 소속 연구자는 53명이다. 이중 UNIST 소속은 7명으로 대학 중 서울대(9명) 다음으로 많다. 특히 두 개 이상의 분야에서 HCR로 선정된 4명 중 2명이 UNIST 소속이다. 이런 중복 선정까지 고려하면 UNIST의 HCR은 10명으로 서울대와 함께 ‘국내 최다 HCR 대학’이 된다.

2018 HCR에 이름을 올린 UNIST 연구자는 ①로드니 루오프(Rodney S. Ruoff) 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단장, 3개 분야), ②조재필 교수(2개 분야), ③김진영 교수, ④크리스토퍼 비엘라프스키(Christopher W Bielawski) 특훈교수(IBS 다차원 탄소재료 연구단 그룹리더), ⑤김광수 특훈교수, ⑥석상일 특훈교수, ⑦백종범 교수다.

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올 상반기 UNIST에서 제안한 연구과제 세 건이 2018년 이공분야 기초연구사업에 선정됐다. ‘다기능 하이브리드 결정 반도체 연구단(리더연구자)’, ‘대사스트레스 세포대응 연구센터(선도연구센터)’, ‘세포 간 신호 교신에 의한 암 제어 연구센터(대학중점연구소)’가 그 주인공이다. 이들 연구센터는 최대 7~9년간 안정적인 연구비를 지원을 받으며, 인류의 삶에 기여할 과학기술 개발을 시작한다.

에너지에 특화된 유‧무기 반도체에 도전!

‘다기능 하이브리드 결정 반도체’는 에너지 수집과 절약에 특화된 새로운 형태의 반도체다. 석상일 에너지 및 화학공학부 교수팀에서 제안한 연구주제로, 2018년 리더연구자지원사업에 선정됐다. 이 연구단은 앞으로 최대 9년간 72억 원의 연구비를 지원받으며, 신개념 반도체 개발과 에너지 융합 시스템 설계에 나설 계획이다.

과학기술정보통신부의 리더연구자지원사업(舊 창의연구)은 창의적 아이디어 및 지식을 지닌 연구자를 발굴해 세계 수준의 우수 연구리더로 집중 육성하는 사업이다. 현재 정부의 기초연구사업 중 개인 연구자를 지원하는 최대 사업으로 꼽힌다. 2018년도에는 총 84개 연구단이 신청해 10개 연구단이 최종 선정됐다.

연구단에서 개발하려는 다기능 하이브리드 결정 반도체는 빛이나 열, 진동, 압력 등 주변에서 얻을 수 있는 다양한 에너지원을 전기 에너지로 바꾸는 장치다. 주변에 있는 다양한 형태의 에너지를 수확해 전기 에너지로 바꾸기 때문에, 언제 어디서든 전원이 필요한 전자기기에 적용할 수 있다. 센서나 디스플레이를 비롯한 각종 전자기기의 미래를 바꿔놓을 수 있는 소자로 주목된다.

석상일 교수는 “실리콘 반도체와 동일하거나 유사한 구조의 광전/열전 소자 등이 단위 소자를 만들고 다중 물성과 소자를 융합한 에너지 수집과 절약을 위한 융합 시스템을 구현할 계획”이라며 “하이브리드 결정 반도체의 기본 물성을 이해하고 소자로 응용하는 과정에서 학문적, 기술적 발전도 기대된다”고 밝혔다.

참고로 이번 석상일 교수팀의 리더연구자지원사업 선정으로 UNIST에는 총 3개의 리더연구단이 자리하게 됐다. 2015년에는 백종범 에너지 및 화학공학부 교수가 이끄는 ‘차원조절 유기구조체 연구단’이 선정됐고, 2016년에는 민경태 생명과학부 교수가 이끄는 ‘핵내 단백질 항상성 연구단’이 선정된 바 있다.

https://news.unist.ac.kr/kor/20180612-1/

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석상일 에너지 및 화학공학부 교수팀이 세계 최고의 안정성을 가진 ‘무-유기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지(이하 페로브스카이트 태양전지)’를 만들 수 있는 핵심소재를 개발하고, 저가로 제작하는 기술을 개발해 30일(미국 현지시간)자 사이언스(Science) 저널에 발표했다. 페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 결합해 페로브스카이트 결정 구조를 가지면서도 화학적으로 쉽게 합성되는 소재로 만든 태양전지를 뜻한다. 페로브스카이트는 두 개의 양이온과 하나의 음이온으로 이뤄진 독특한 결정 구조체다.

페로브스카이트 태양전지는 값싼 화학소재를 저온에서 용액 공정을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 광전변환 효율이 22%으로 높아 기존 실리콘 단결정계 태양전지 수준의 높은 효율(~25%)을 낼 수 있는 차세대 태양전지 기술로 최근 크게 주목받고 있다.

석상일 교수팀은 이전에도 페로브스카이트 태양전지 관련 기술을 선도해왔다. 이번 연구는 이전의 성과(구조, 공정, 신조성 등)을 기반으로 진행됐다.

이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 고효율화(21.2%)와 높은 광안정성을 모두 만족하는 광전극 소재를 저온에서 합성하는 방법을 개발했다. 광안정성은 빛에 오랫동안 노출돼도 재료의 성능이 떨어지지 않고 안정적으로 유지되는 성질을 말한다. 이번에 개발한 소재는 자외선을 포함한 태양빛에 1000시간 이상 노출돼도 안정적으로 효율을 유지했다. 광전극 소재의 합성도 기존(900℃ 이상의 고온)보다 훨씬 낮춘 200℃ 이하에서 진행할 수 있어 제작을 한층 수월하게 만들었다.

더 나아가 연속적이며 대량생산 공정이 가능한 ‘핫-프레싱(hot-pressing) 공법’을 새롭게 제안했다. 핫 프레싱 공법은 온도와 압력을 가해 두 물체를 단단히 점착시키는 방법이다. 이 기술은 고효율‧고안정성‧저비용의 방법으로 페로브스카이트 태양전지를 제조하는 새로운 태양전지 제조 방법론이다.

석상일 교수는 “이번 연구는 새롭게 합성된 광전극 소재와 핫-프레싱이라는 공법을 결합해 제조비용을 기존 실리콘 태양전지의 절반 이하 수준으로 낮출 것”이라며 “21% 이상의 높은 광전효율과 뛰어난 광안정성을 모두 만족하는 무-유기 하이브리드 태양전지를 구현했다는 데 의미가 있다”고 말했다.

그는 이어 “국내 연구진의 고유 기술로 이뤄낸 이번 성과는 지난 20여 년간 저가 공정 전략을 내세운 기존 차세대 태양전지 기술의 낮은 효율과 안정성의 한계를 뛰어넘는 결과”라며 “대면적 연속공정에 대한 추가 연구를 통해 상용화가 기대된다”고 덧붙였다.

이번 연구는 석상일 UNIST 교수가 주도해 한국화학연구원(1저자: 신성식 박사(現 MIT 박사 후 연구원), 공동교신: 노준홍 박사(現 고려대학교 교수)) 등과 공동으로 수행했다. 연구 지원은 미래창조과학부 글로벌프런티어사업(멀티스케일에너지시스템연구단)과 기후변화대응사업을 통해 이뤄졌다.

https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=j9a5-sV6TDo&feature=emb_logo

https://news.unist.ac.kr/kor/20170401-01/

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석상일(56) UNIST(총장 정무영, 울산과기원) 특훈교수(에너지 및 화학공학부)의 태양전지 원천기술이 미래창조과학부 등 정부부처에서 선정하는 ‘2015년 기후변화대응 핵심기술 연구개발 성과 베스트 오브 베스트 10(이하 기후변화대응 핵심기술 10선)’에 이름을 올렸다.

‘기후변화대응 핵심기술 10선’은 미래부, 산업부, 환경부 등 관계 부처에서 선정했으며, 상용화 시 세계 시장을 주도할 수 있는 혁신 성과 또는 단시일 내 국내·외 온실가스 감축에 적용 가능한 기술이다.

이번 기후변화대응 핵심기술 10선에 선정된 석상일 교수의 ‘페로브스카이트 태양전지’ 기술은 제조 공정이 단순해 대량 생산이 가능하고, 에너지 변환 효율은 20% 이상으로 세계 최고이다. ‘페로브스카이트 태양전지’는 기존 실리콘 태양전지보다 제조 단가가 매우 저렴하며 가볍고 유연성을 가져 다양한 용도로 활용할 수 있는 차세대 태양전지다.

석 교수는 “기후 변화를 일으키는 이산화탄소의 배출이 없는 태양에너지는 인류의 지속가능한 발전을 위해 반드시 필요하다”며 “가격은 저렴하면서도 에너지 변환효율은 높은 태양전지 기술을 개발해 우리나라 태양전지 산업의 경쟁력을 높일 것”이라고 말했다.

석상일 교수는 기존 실리콘 태양전지를 대체할 ‘페로브스카이트 태양전지’ 연구 분야의 세계 최고 전문가다. 세계 3대 저널인 ‘네이처(Nature)’와 ‘사이언스(Science)’에 연구결과를 발표했으며 지난 9월 UNIST 특훈교수로 임용됐다.

석 교수는 “현재까지 이룬 성과에 만족하지 않고 아무도 이루지 못한 연구에 도전하기 위해 UNIST를 선택했다”며 “UNIST가 보유한 최첨단 연구 장비를 활용해 인류가 직면한 에너지 문제 해결에 기여하고 싶다”고 말했다.

석 교수는 자신이 만든 ‘페로브스카이트 태양전지’를 UNIST 옥상에 설치되어 있는 ‘실리콘 태양전지’ 위에 쌓아 효율을 증가시키는 ‘텐덤(Tendom)형 태양전지’를 개발할 계획이다. 또 ‘미래부 기후변화 대응 연구과제’를 통해 장기적인 내구성과 고효율을 동시에 가지는 ‘무-유기 하이브리드 태양전지 원천 기술’ 개발에도 집중할 계획이다.

한편 정부는 이번에 선정된 ‘기후변화대응 핵심기술 10선’을 분류해 기술 상용화를 촉진하고, 정부 주도의 사업 및 민간 부문 적용은 물론 해외로의 수출 등을 집중 지원할 계획이다.

https://news.unist.ac.kr/kor/20151214-01/

Researchers affiliated with UNIST, the Korea Institute of Chemical Technology (KRICT) and Hanyang University have designed a cost-efficient method to produce inorganic-organic hybrid perovskite solar cells (PSCs), with outstanding efficiency performance of 22.1% in small cells and 19.7% in 1-square-centimeter cells.

A key feature of this technology is its ability to tackle the dominating defect in perovskite-halides, which is known to decrease the photoelectric efficiency. The team’s results demonstrate that careful control of the growth conditions of perovskite layers with management of deficient halide anions is essential for realizing high-efficiency thin-film PSCs based on lead-halide-perovskite absorbers.

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In this study, the research team demonstrated the introduction of additional iodide ions into the organic cation solution, which are used to form the perovskite layers through an intramolecular exchanging process, decreases the concentration of deep-level defects. The result showed that the defect-engineered thin perovskite layers enable the fabrication of PSCs with a certified power conversion efficiency of 22.1% in small cells and 19.7% in 1-square-centimeter cells.

The energy conversion efficiency of those PSCs with reduced defects is 22.1% and has been officially certified by the National Renewable Energy Laboratory (NREL).