결함없는 준이차원 페로브스카이트 태양전지 소재 개발
- 다양한 광전자반도체 소자에 적용 가능할 것으로 기대 -
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 광주과학기술원 이광희 교수(신소재공학부), 김희주 교수(에너지융합대학원) 공동 연구팀이 준이차원(qusai-2D)* 페로브스카이트** 소재에 간단한 후처리 기술을 적용해 소재의 결함***을 해결하고, 효율 및 안정성을 확보한 태양전지 소재를 개발했다고 밝혔다.
* 준이차원(quasi-two dimension): 수학적 평면 내에서 주기적인 삼차원 구조가 아니며 완전한 이차원 구조가 아닌 것으로 유한한 원자 혹은 나노 단위 크기의 두께를 가지고 있는 것.
** 페로브스카이트(perovskite): 1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조로서 광물학자 Lev Perovski(1792-1856)의 이름에서 유래됨. 페로브스카이트 구조는 높은 전하이동 능력과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지 소재로 각광 받고 있음.
*** 결함(defect): 결정에서 원자의 주기적인 배열이 깨지는 부분. 페로브스카이트 태양전지의 성능을 저하시키는 원인 중 하나로 알려져 있음.
□ 페로브스카이트 태양전지는 기존의 상용화된 실리콘 기반 태양전지와 비슷한 효율을 보여 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
○ 하지만 상용화를 위해선 효율뿐만 아니라 장기안정성 확보가 필수적인데, 페로브스카이트 소재 자체의 흡습성*적인 성질로 인한 소자 성능 저하로 인해 장기안정성 확보에 큰 걸림돌이 되고 있다.
* 흡습성(hygroscopic): 물질이 공기 중의 수분을 흡수하는 성질.
○ 뛰어난 환경적 안정성을 가진 준이차원 페로브스카이트 소재는 기존 소재의 낮은 장기안정성을 극복할 수 있어 학계의 많은 주목을 받고 있지만, 결정 성장 제어의 어려움과 소재 자체의 결함에 의한 낮은 전기적 성질이 태양전지의 성능을 떨어뜨린다는 한계가 있다.
□ 이에 연구팀은 간단한 용액공정을 이용해 준이차원 페로브스카이트 소재의 결함·결정 제어를 하는데 성공했다.
○ 연구팀이 개발한 기능성 단분자 후처리 방법을 도입한 준이차원 페로브스카이트 소재는 기능성 단분자에 의해 소재 표면 및 내부에 존재하는 이온성 결함을 부동태화 시켜 소재의 품질을 높였다.
* 부동태: 금속이 보통 상태에서 나타내는 반응성을 잃은 상태.
○ 개발된 준이차원 페로브스카이트 소재를 활용한 태양전지는 20.05%의 높은 효율을 보였으며 1,000시간의 가속 실험 후에도 초기 효율 대비 12% 정도의 감소를 보이는 우수한 광안정성 뿐만 아니라 높은 열적 및 수분 안정성 또한 갖는 것으로 나타났다.
□ 이광희 교수는 “이번 연구를 통해 고성능의 준이차원 페로브스카이트 소재 기반 광전자 소자 개발에 대한 실마리를 제시했다”라며, “향후 차량 및 건물 일체형 태양전지 개발, 고성능의 페로브스카이트 소재 기반 반도체 소자 등 실생활과 밀접한 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”고 설명했다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 권두 표지 논문(frontispiece)으로 선정되었으며 8월 3일 게재되었다.
