태양전지 효율 높일 새 '준이차원 페로브스카이트' 소재 개발

연구팀의 연구 결과가 실린 국제 학술지 '어드밴스드 머리티얼즈' . 한국연구재단 제공

차세대 태양전지로 주목받고 있는 '페로브스카이트 태양전지'의 기존 결함을 해결할 새로운 태양전지 소재가 개발됐다. 

한국연구재단은 이광희 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수와 김희주 에너지융합대학원 교수 공동연구팀이 페로브스카이트 소재의 결함을 해결하고 효율성과 안정성을 높인 태양전지 소재를 개발해 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈'에 3일 게재했다고 8일 밝혔다.

태양전지는 태양의 빛에너지를 전기에너지로 바꿔 전기를 발생시키는 장치다. 페로브스카이트는 19세기 러시아에서 발견된 광물의 결정구조로, 전하이동 능력과 빛 흡수성이 높아 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지의 소재로 주목받는다. 

기존 페로브스카이트 소재 태양전지는 페로브스카이트의 친수성으로 인해 물이나 공기 중의 습도에 약했다. 이를 극복하기 위해 개발된 것이 준이차원 페로브스카이트 소재다. 준이차원 페로브스카이트는 환경적 안정성이 높은 대신 전력변환 효율이 낮다. 

연구팀은 간단한 용액 공정을 통해 준이차원 페로브스카이트 소재의 결함·결정을 제어하는 데 성공했다. 결함은 결정에서 원자의 주기적인 배열이 깨지는 부분을 말한다. 페로브스카이트 태양전지의 성능을 저하시키는 원인 중 하나로 꼽힌다. 

연구팀은 고분자 유기 단분자를 용매에 녹인 뒤, 페로브스카이트 소재 위에 용액을 도포했다. 이는 마치 종이가 물에 젖지 않도록 코팅하는 과정과 유사하다. 이를 통해 준이차원 페로브스카이트의 흡습성을 줄여 성능을 높였다.

개발된 준이차원 페로브스카이트 소재를 활용한 태양전지는 20.05% 높은 효율을 보였으며 1000시간의 가속 실험 후에도 초기 효율 대비 12% 정도의 성능 감소를 보이는 등 우수한 광안정성을 보였다. 또 높은 열적·수분 안정성도 확인됐다.

이 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 것으로 기대된다"라고 밝혔다.   

이광희 GIST 신소재공학부 교수. 한국연구재단 제공

김희주 GIST 에너지융합대학원 교수. 한국연구재단

[박건희 기자 wissen@donga.com]