[표지로 읽는 과학] 2D 페로브스카이트 태양전지 효율 높이는 새 전략

사이언스 제공

국제학술지 '사이언스'는 서로 다른 두 종류의 입자가 얽혀 쌓여있는 모습을 이번주 표지로 실었다. 격자 형태로 얽혀 있는 입자는 페로브스카이트 표면을 2차원(2D)으로 표현한 것이다.

아디티야 모히테 미국 라이스대 교수 연구팀은 차세대 태양전지로 각광받는 포름아미디늄 태양전지의 효율을 크게 향상시킬 수 있는 새로운 페로브스카이트 개발 템플릿을 개발하고 연구 결과를 13일(현지시간) 사이언스에 발표했다.

페로브스카이트는 1893년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물이다. 두 개의 양이온과 하나의 음이온이 결합한 특징적인 입체 구조를 가졌다. 이러한 구조는 태양광을 전기로 만드는 데 유리하다. 저렴하고 낮은 온도에서도 태양 에너지를 전기로 변환하기 쉽기 때문에 차세대 태양전지 소재로 주목받는다.

문제는 태양전지의 효율성과 안정성을 저해하는 몇 가지 한계점이 있다는 것이다. 페로브스카이트 결정 구조에 있는 일명 '트랩'이라고 불리는 작은 결함이 전자의 원활한 움직임을 방해한다. 전자가 태양전지 안에서 쉽게 움직이지 못하면서 태양 에너지를 전기로 바꾸는 효율이 떨어진다.  

이번 연구에서는 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 높이기 위한 새로운 전략을 제시했다. 페로브스카이트 태양전지에서 빛을 흡수하는 층의 내구성과 효율성을 높인 것이다. 연구팀에 따르면 순수한 포름아미디늄 요오드화납(FAPbl3) 전구체 용액을 2D 페로브스카이트에 접촉시키자 태양 에너지를 전기로 변환하는 안정성이 크게 향상됐다.

실험 결과 85도 햇빛에서 24.1%의 광전환 효율을 보였다. 1000시간 동안 에너지를 변환한 후에도 초기 효율의 97% 수준을 유지했다.  연구팀은 "새로운 전략은 향상된 광전자 특성과 탁월한 안전성을 보여줬다"고 설명했다.

연구팀은 이번에 개발한 전략이 3차원(3D) 페로브스카이트 구조에도 적용될 것으로 기대했다. 페로브스카이트 외 다양한 광물에도 응용될 수 있다고 덧붙였다.

[박정연 기자 hesse@donga.com]