결함 없애고 효율·안정↑ 차세대 태양전지 개발

광주과학기술원 연구팀
준이차원 페로브스카이트 소재 후처리 공정 개발

국내 연구진이 결함이 없고 높은 안전성과 효율을 가진 차세대 태양전지 소재를 개발했다.

한국연구재단은 이광희 광주과학기술원(GIST·지스트) 신소재공학부·김희주 지스트 에너지융합대학원 공동 연구팀이 준이차원(qusai-2D) 페로브스카이트 소재에 간단한 후처리 기술을 적용해 소재의 결함을 해결하고, 효율 및 안정성을 확보한 태양전지 소재를 개발했다고 8일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기존의 상용화된 실리콘 기반 태양전지와 비슷한 효율을 보여 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 상용화를 위해선 효율뿐만 아니라 장기안정성 확보가 필수적인데, 흡습성 때문에 성능이 저하되는 문제가 있다. 이에 뛰어난 환경적 안정성을 가진 준이차원 페로브스카이트 소재가 주목받고 있다. 준이차원(quasi-two dimension)이란 수학적 평면 내에서 주기적인 삼차원 구조가 아니며 완전한 이차원 구조가 아닌 것으로 유한한 원자 혹은 나노 단위 크기의 두께를 가지고 있는 것을 말한다.

문제는 결정 성장 제어의 어려움과 소재 자체의 결함에 의한 낮은 전기적 성질이 태양전지의 성능을 떨어뜨린다는 한계가 있다는 것이다.

연구팀은 간단한 용액공정을 이용해 준이차원 페로브스카이트 소재의 결함·결정 제어를 하는 데 성공했다. 연구팀이 개발한 기능성 단분자 후처리 방법을 도입한 준이차원 페로브스카이트 소재는 기능성 단분자에 의해 소재 표면 및 내부에 존재하는 이온성 결함을 부동태화시켜 소재의 품질을 높였다. 개발된 준이차원 페로브스카이트 소재를 활용한 태양전지는 20.05%의 높은 효율을 기록했다. 1000시간의 가속 실험 후에도 초기 효율 대비 12% 정도의 감소에 그쳐 우수한 광안정성, 높은 열적 및 수분 안정성이 확인됐다.

이광희 교수는 “이번 연구를 통해 고성능의 준이차원 페로브스카이트 소재 기반 광전자 소자 개발에 대한 실마리를 제시했다”며 “차량 및 건물 일체형 태양전지 개발, 고성능의 페로브스카이트 소재 기반 반도체 소자 등 실생활과 밀접한 다양한 분야에 활용 가능할 것"이라고 말했다.

이번 연구 결과는 재료분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 표지 논문(frontispiece)으로 선정돼 지난 3일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr