성균관대학교

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  • 니켈산화물 초박막을 활용한 차세대 페로브스카이트 태양전지 효율 및 안정성 개선

    에너지과학과 신현정 교수

    니켈산화물 초박막을 활용한 차세대 페로브스카이트 태양전지 효율 및 안정성 개선

    태양에너지는 미래 전세계 에너지 공급의 핵심적인 역할을 담당할 것으로 기대되는 에너지원이다. 세계 각국에서 기후변화에 따른 환경 변화 대응의 일환으로 재생에너지로부터의 전기생산 비중을 높여가려고 노력하고 있으며 태양전지는 이러한 흐름에서 가장 큰 비중을 차지하리라 예상된다. 오래전부터 이미 많은 과학자들은 여러 종류의 태양광 변환 소재 및 공정을 연구하여 보다 더 효율적인 태양전지를 개발하고, 또한 대량생산을 위한 기술을 탐색해 오고 있다. 이상적인 태양전지의 대량 생산을 위해서는 태양광 변환 및 전극 소재 등이 지구상에 풍부하여 비용이 저렴하고, 또한 태양광 소자로서 고효율이면서도 안정적이어야 한다. 기존 기술은 주로 실리콘 태양전지로 상업화가 이루어졌지만 최근 연구자들은 새로운 물질로서 저비용 고효율 태양전지가 가능한 것으로 보이는 페로브스카이트 구조를 가지는 유무기 복합 소재에 주목하고 있다. 2013년 과학 분야의 10대 발전 중 하나로 꼽히는 페로브스카이트 태양전지는 효율의 급속한 개선(2008년 2.2%에서 2016년에는 22%로)으로 결정질 실리콘 태양전지의 효율(~25%)에 근접하였으며 값싼 재료와 용액 공정 기반의 제작과정으로 가격대비 우수한 성능을 갖춘 차세대 태양전지로서 기존의 실리콘 태양전지를 대체할 수 있을 것으로 기대되고 있다. 페로브스카이트는 ABX3 (X는 음이온, A와 B는 양이온, 이온의 크기는 A > B) 의 화학식으로 표현되는 물질이다. 여기에 태양전지로 사용되는 페로브스카이트는 A 이온으로 메틸암모늄이 주로 사용되고, B 이온은 납 또는 주석 이온, 그리고 X 이온은 할라이드계 이온들로 구성된다. 이 재료는 가시광을 흡수할 수 있는 적절한 밴드갭 (약 1.6 eV)과 높은 흡광계수, 그리고 0.1 ~ 1 μm에 이르는 긴 전하 수송 거리 등을 가지고 있어 태양전지 흡수체로써 매우 우수한 특성들을 보유하고 있다. 현재까지 가장 성공적으로 사용되어온 페로브스카이트 태양전지의 구조는 산화 티타늄과 Spiro-OMeTAD(2,2′,7,7′-tetrakis(N,N′-di-p-methoxyphenylamine)-9,9′-spirobifluorene) 전하전송층을 사용한다. 그러나 높은 효율에도 불구하고 전류-전압 히스테리시스(정방향과 역방향의 전류-전압 측정결과가 일치하지 않는 현상)가 있어 소자의 신뢰성을 떨어트린다. 반면에 PEDOT:PSS(poly(3,4-ethylenedioxythiophene) poly(styrene sulfonate))와 PCBM(phenyl C61 butyric acid methyl ester)을 이용한 페로브스카이트 태양전지도 제작이 가능하다. 이 구조로 태양전지를 제작했을 때 페로브스카이트의 신뢰성을 저해하는 전류-전압 히스테리시스가 상당히 개선되었다. 페로브스카이트 태양전지의 또 하나의 문제점은 낮은 안정성이다. 이 물질은 수분 및 열에 매우 취약하여 공기중의 노출에도 수 시간내에 전지의 효율이 급격하게 하락하는 단점이 있다. 따라서 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시키는 것이 효율 향상 못지 않게 실용화를 위한 중요한 도전과제이다. 본연구진은 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 유기전하수송체인 PEDOT:PSS를 화학적으로 안정한 니켈산화물(NiO)로 대체하여 기존의 PEDOT:PSS 기반의 태양전지에 비견될만한 높은 광전변환효율 (16.40 %)을 보고하였다. PEDOT:PSS는 페로브스카이트 광흡수층에서 여기된 정공을 선택적으로 추출하는 계층으로 우수한 기능성을 지녔으나 흡습성이 있어 수분민감성인 페로브스카이트의 분해를 촉진한다. 반면에 니켈 산화물은 화학적 안정성을 보유하여 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 향상시킬 수 있다. 기존의 니켈 산화물을 이용한 페로브스카이트 태양전지는 PEDOT:PSS을 기반으로 한 전지에 비해 낮은 광전류(photocurrent)와 채움률(fill factor)로 인해 광전변환효율이 낮았다. 본 연구진은 이를 개선할 방법으로 니켈산화물을 원자층 증착법(atomic layer deposition)을 통하여 수 나노 두께의 초박막을 형성하였다. 초박막 니켈 산화물은 이전의 벌크 두께를 가질 때에 비하여 향상된 홀수송능력을 보유하였으며, 높은 투명도를 지님으로써 페로브스카이트 태양전지가 높은 효율을 낼 수 있도록 하였다. 또한 이 태양전지는 비활성 기체 분위기에서 보관되었을 때 500시간 이상 초기 효율의 90%를 유지하였다. 이러한 연구결과는 적층 태양전지 구조를 통하여 효율 향상이 가능하고 추가적인 봉지기술 개발을 통하여 신뢰성을 높이며, 이를 통해 차후 상용화 가능한 고효율 고신뢰성 페로브스카이트 태양전지 개발의 밑거름이 될 것으로 기대된다. 본 연구는 나노과학 기술 관련 분야에 영향력이 큰 Nanoscale지에 게재되었다.

  • 진딧물 자리를 모사한 메타물질 조립

    성균나노과학기술원 이승우 교수

    진딧물 자리를 모사한 메타물질 조립

    진딧물이 끈끈한 물질 없이 벽을 기어오르거나, 식물 줄기에 거꾸로 매달려서 움직이는 원리를 이용, 기존 2차원 조립에 머물러 있던 트랜스퍼 프린팅을 3차원 조립에도 이용할 수 있도록 확장. 이와 같은 생체모사 3D 트랜스퍼 프린팅을 이용, 비자연적 극한광학 물성을 갖는 메타물질을 3D조립하는데 이용함. 본 연구에서는 메타물질 구조적 다양성을 실험적으로 확보할 수 있는 조립공정기술을 개발했다. 이는 진딧물 다리의 dry-adhesion 조절을 모사한 토랜스퍼 프린팅 기술로 가능했다. 진딧물은 끈끈한 물질 없이 벽을 기어오르거나 거꾸로 매달려서 움직일 수 있고 이는 다리와 물체 사이의 붙는 힘을 자유자재로 조절 할 수 있기 때문이다. 그림 1과 같이 진딧물이 다리 뒷꿈치의 혈압을 높여서 부풀어 오르게 하면 물체와 닿는 면적이 최대화 되서 부착힘이 극대화 되고, 반대로 혈압을 낮추면 다리 뒷꿈치가 수축해서 다리가 물체로부터 닿는 면적 및 부착힘을 최소화 시킨다. 본 연구에서는 그림2와 같이 고무 도장을 진딧물 다리를 모사해서 제작했다. 뾰족한 팁을 갖는 고무 도장은 프린팅 하고자 하는 메타물질과의 표면적이 최소화되어 어디든 프린팅이 쉽도록 되지만(adhesion-off), 뾰족한 팁이 뭉그러지게 되면 메타물질/도장 사이의 면적이 최대화 되어 메타물질을 떼어 낼 수 있다(adhesion- on). 고무로 된 팁은 누르는 힘에 의해서 뭉그러지거나, 원래 팁 모양으로 회복될 수 있기 때문에 기판으로부터 떼어내고(트랜스퍼), 프린팅 되는 과정이 고무도장을 누르는 힘 조절로 자유자재로 될 수 있는 것이다. 이 원리를 이용하면 그림 3과같이 메타원자들을 레고 블록 조립하듯이 트랜스퍼 프린팅해서 메타물질을 만들어 낼 수 있다. 이때 메타원자의 종류, 격자구조, 이종물질의 종류, 메타물질 집적 기판의 종류에 제한이 없음을 보여주었고, 따라서 그래핀 투명망또 및 광변조기와 같은 메타물질의 실용적 응용을 앞당길 수 있는 기반을 마련했다. /생체모사+ 연성광학 연구실/ 2014년 성균나노과학기술원에 (성균관대 나노과학기술학과 대학원, SKKU Advanced Institute of Nanotechnology(SAINT))설립, 이승우 교수의 지도로 박사후연구원 1명, 석박통합 3명, 학부연구생 3명이 열심히 연구하고 있다. 생체모사를 또는 DNA 오리가미/고분자와 같은 스마트 연성나노물질을 이용하여 다양한 빛-물질 상호작용들을 혁신하는 연구를 수행 중이다. 특히 꽃잎의 구조색, 사하라 사막의 개미가 열을 식히는 원리를 모사하여 태양전지/LED와 같은 광전자소자 효율을 높이거나, DNA를 이용 알고리즘 자리조립으로 비자연적 극한 광학 물성을 유도하는 “알파고 메타물질”연구를 수행 중이다. (seungwoo.skku.edu) 화학공학/나노바이오/나노화학/물리/재료공학/전자공학의 다양한 학문적 융합을 추구한다. 실제 화학공학, 물리, 전자공학, 화학을 전공한 학생들이 모여서 창의적 융합연구를 수행중이다. Harvard에서 열리는 생체분자디자인 경진대회 참석 및 MIT/Harvard/Caltech 대학교와의 공동연구 등 다양한 국제협력도 진행중이다.

  • 차세대 발전용 및 수송용 바이오연료 제조를 위한 초임계유체를 이용한 바이오오일 업그레이딩

    기계공학부 김재훈 교수

    차세대 발전용 및 수송용 바이오연료 제조를 위한 초임계유체를 이용한 바이오오일 업그레이딩

    최근 화석 연료의 과다 사용에 따른 에너지 자원 고갈 및 환경오염에 대한 우려가 증가함에 따라 비화석연료 기반의 재생가능하고 지속가능하며 환경친화성이 높은 연료 및 화학소재 재조에 대한 관심이 급증하고 있다. 바이오연료 중 옥수수, 사탕수수 등 당질계원료를 이용하는 바이오에탄올 및 팜유, 대두유 등 식물성유지를 이용하는 바이오디젤은 상업적인 생산이 이루어지고 있으나, 이들 1세대 바이오연료는 식량자원과의 경쟁이라는 원천적인 한계를 자기고 있고, 분자구조식에 산소를 포함하고 있기 때문에 기존 화석연료에서 생산되고 있는 가솔린, 항공유 및 디젤과 비교하였을 때 에너지함량이 낮은 단점이 있다. 따라서 기존 1세대 바이오연료에서 탈피하여, 식량지원과 경쟁이 없으며, 또한 분자구조식에 산소를 적게 포함하거나 아예 포함하지 않는 바이오연료(“drop in”바이오연료)생산에 많은 관심이 집중되고 있다. 다양한 비식량계 바이오매스의 열화학 전환공정 중 가장 상업화에 근접한 기술인 급속열분해(fast pyrolysis)는 목질계 바이오매스, 초본계 바이오매스 등 다양한 종류의 바이오매스를 원료로 이용하여 산소가 없는 조건에서 400-600℃의 반응온도에서 수초간 분해한 후 생성되는 기체를 응축하여 액상물질을 제조하는 방법이다. 하지만, 급속열분해로 제조된 바이오오일은 아직 많은 단점이 존재하여 직접적으로 수송용 연료 또는 발전용 연료로 활용되지 못하고 있는 실정이다. 보다 구체적인 바이오오일의 단점은 (1) 산소함량이 35-40 중량%로 매우 높아서 열안정성 및 장기 보관정이 매우 취약하고, (2) 높은 산소함량으로 인해 바이오오일에 함유된 에너지함량이 매우낮고(고위발열량, higher heating value(HHV)=16-9MJ/kg), (3) 생성된 바이오오일에 포함된 물의 함량이 15-30%로 매우 높고, 바이오오일에 물에 용해되는 친수성 탄화수소계 물질이 많이 존재하여 기존 소수성인 화석연료와 혼화성이 매우 취약하고, (4) 개미산, 아세트산 등 강한 산성을 지니는 카르복실산 및 물이 많이 존재하여 pH가 2-3 정도로 매우 낮아 공정장치의 부식을 일으키며, (5) 장기 보관할 경우 열분해 리그닌과 바이오오일 성분끼리 서로 반응해서 고분자 물질을 생성하여 점도가 상승하여 상이 분리되는 현상 등 문제점이 있어왔다. 이러한 바이오오일의 문제점은 바이오오일을 다루고, 이송하며, 보관하고, 이용하는데 많은 기술적인 어려움을 야기하며, 이런 바이오오일의 단점들이 재생가능한 연료 또는 화학소재 생산을 위한 공정비용을 상승시키는 요인이 된다. 본 연구는 초임계 상태의 알코올을 용매 및 반응물질로 이용하여 바이오오일의 분자구조식에 존재하는 산소를 제거하여 에너지 함량을 증가시키고, 카르복실산 등 바이오오일의 산도를 증가시키는 유기산을 제거 또는 다른 안정화된 물질로 변환하여 산도를 낮추며, 또한 바이오오일 중 친수성 물질을 소수성 물질로 변환하여 수분함량을 낮추고, 바이오오일의 pH를 높여 부식성을 감소시킬 수 있는 바이오오일의 업그래이딩 방법에 관한 것이다. 특히 일반적인 촉매를 이용한 바이오오일의 업그래이딩 방법과는 달리, 균일 촉매 또는 불균일 촉매를 이용하지 않고 외부에서 제공하는 고가의 수소를 이용하지 않으면서, 초임계 알코올이 자체적으로 발생하는 매우 활성이 높은 수소(in-situ generated hydrogen)및 초임계 알코올이 갖는 독특한 반응성(에스테르화, 알킬화, 알콕실화, 수소화)를 이용하여 급속열분해로 제조된 바이오오일의 성질을 개선할 수 있다. 전산모사해석 결과 초임계 알코올을 이용하여 업그래이딩된 바이오오일을 제주도에 있는 100MW급 중유발전소의 보일러에 바이오중유로 활용하였을 경우 원유에서 생산되는 중유와 유사한 온도 및 열전달 특성을 갖는 것을 확인하였다. 따라서 업그래이딩 된 바이오오일은 “그린전기”를 생산하는데 이용될 수 있으며, 차량용 바이오가솔린 및 바이오디젤로 활용될 수 있다.

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