0차원과 3차원 융합해 태양전지 상용화 앞당겼다
무기 페로브스카이트 태양전지 성능과 내구성 동시 향상 기술
□ 차세대 고효율 태양전지 소재로 꼽히는 무기 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 기술이 개발됐다.
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 고려대 임상혁 교수 연구팀이 텐진대 장페이(Zhang Fei) 교수 연구팀, 한밭대 홍기하 교수 연구팀과 함께 차원* 융합을 통해 기존 3차원 무기 페로브스카이트**의 한계를 극복한 고효율 및 고안정성 무기 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.
*차원: 물질의 구조적 특성을 나타내는 개념으로, 페로브스카이트 구조 내 BX6- 육면체의 연결 방식에 따라 결정된다. 0차원은 육면체가 독립적으로 존재하는 구조, 3차원은 육면체들이 x,y,z축 방향으로 모두 연결된 구조다.
**무기 페로브스카이트(inorganic perovskite): 금속 양이온(A,B)과 할라이드(X)로 이루어진 ABX3 결정 구조의 물질을 말하며, 차세대 고효율·고내구성 태양전지 개발에 유망한 소재로 각광받고 있다.
□ 페로브스카이트 태양전지는 기술이 성숙하고 상용화가 임박해 한국, 중국, 중동 등의 기술 개발 경쟁이 매우 치열하다.
○ 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트는 전력 변환 효율이 뛰어나지만 유기물로 인한 장기 안정성 문제가 상업화의 장애물로 작용하고 있다.
○ 이를 해결할 수 있는 무기 페로브스카이트(CsPbI3)는 열 및 광 안정성이 뛰어난 반면 페로브스카이트 상* 구조의 안정성이 떨어지는 한계가 있어 상용화를 위해서는 새로운 접근 방법이 필요하다.
*페로브스카이트 상(perovskite phase): 페로브스카이트 구조를 가지는 물질의 특정 결정 상태를 의미하며, 온도·압력·환경 조건에 따라 변할 수 있다.
□ 연구팀은 무기 페로브스카이트의 구조 안정성의 한계를 극복해 높은 효율과 내구성을 동시에 달성할 수 있는 방안을 개발했다.
○ 스프레이 코팅 기술을 활용해 고순도 0차원(Cs4PbBr6) 페로브스카이트 나노 결정을 3차원(CsPbI3) 페로브스카이트층 위에 균일하게 도포했을 때 태양전지의 효율과 안정성이 크게 향상됨을 규명했다.
○ 이때 0차원 페로브스카이트 나노 결정은 전하 분리를 촉진하고 비방사 재결합*을 억제하는 동시에 3차원 페로브스카이트의 격자를 고정해 변형을 방지함으로써 구조적 안정성을 획기적으로 강화하는 역할을 한다.
○ 이러한 0차원-3차원 융합 구조는 태양전지의 열 및 광 안정성을 크게 향상시켜, 21.03%의 전력 변환 효율과 초기 효율 대비 92.48%를 유지할 수 있는 장기적인 내구성을 입증했다.
*비방사 재결합(nonradiative recombination): 태양전지 작동 시 생성된 정공과 전자가 각 전극으로 이동하지 못해 전기에너지로 전환되지 않고 서로 재결합하면서 열에너지로 방출되는 현상.
□ 이번 연구에 대해 임상혁 교수는 “무기 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 모두 만족시키는 성과를 마련했다”며 “차원 융합 기술은 대규모 생산에도 적합한 제조 공정을 도입할 수 있어 다양한 산업 분야에서 친환경 에너지 솔루션으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 세종과학펠로우십, 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 8월 17일 온라인 게재되었다.
