차세대 태양전지 수분 안전성 향상..2000시간 실험서 95% 효율 유지

박남규 성균관대 교수팀, 크리스탈 패싯 연구
페로브스카이트 태양전지 수분 안정성 개선

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 수분 안정성을 높인 차세대 태양전지 기술을 개발했다. 실험 결과, 2000시간 수분 노출 실험에서도 95% 이상 초기효율을 유지했다.

성균관대는 박남규 화학공학과 석좌교수 연구팀이 페로브스카이트 크리스탈 패싯(원자 배열이 공간적으로 반복된 패턴을 가지는 결정에서 기하학 모양의 평평한 면)에 따른 수분 안정성 차이점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 패싯 위주 필름을 제작했다고 15일 밝혔다.

박남규 성균관대 교수 연구팀.(왼쪽부터)박남규 성균관대 교수, 권석준 성균관대 교수, 마이클 그랏첼 스위스 로잔공대 교수, 마춘칭 성균관대 박사.(사진=성균관대)

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 앞서 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 처음 개발해 ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척했다.

태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용해 150도 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 연구팀은 지난해 11월 일반적으로 알려진 용액공정의 한계를 극복하기 위해 첨가제 공법을 이용해 100번 부위와 111번 부위 결정 패싯이 잘 발달한 페로브스카이트 필름을 만들고, 패싯에 따른 광전류 의존성을 밝혔다.

이번 연구에서는 패싯이 잘 발달한 페로브스카이트 필름이 수분에 노출되면 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 것을 처음으로 발견했다. 100번 부위와 달리 111번 부위 패싯이 수분에 안정적이라는 점을 발견했다.

이론계산 결과, 그 이유는 물의 젖음 에너지가 111번 부위 패싯에서 상대적으로 낮기 때문에 발생했다. 분광분석과 엑스선 회절을 이용한 분석결과에서도 100번 부위 패싯에서는 물과 강한 결합이 생겼고, 페로브스카이트 상전이가 일어나 광흡수 특성을 잃었다.

따라서 페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성을 개선하려면 111번 부위 패싯으로 구성된 필름을 제작해야 했다. 연구팀은 첨가제(사이클로헥실아민)를 이용해 111번 부위 패싯이 98% 차지하는 페로브스카이트 필름을 만들었다.

시험 결과, 이 필름으로 만든 태양전지는 30~40% 상대습도 환경에서 약 2000시간 동안 초기효율의 95% 이상을 유지했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스’에 지난 13일자로 게재됐다.

강민구 (science1@edaily.co.kr)