차세대 태양전지 ‘페로브스카이트’ 결함 제어해 내구성·효율 높인다

GIST·화학연·로잔연방공대 공동 연구진

광주과학기술원(GIST), 한국화학연구원, 스위스 로잔연방공대 공동 연구진이 개발한 페로브스카이트 결정다형체의 구조. 페로브스카이트의 단점인 구조 결함을 제어해 내구성과 에너지 전환 효율을 높일 수 있다./광주과학기술원

한국과 스위스 국제 공동 연구진이 차세대 태양전지 소재인 페로브스카이트의 안정성을 높일 방법을 개발했다. 구조적인 결함을 제어해 햇빛을 전기 에너지로 바꾸는 효율까지 높일 수 있다.

김호범 광주과학기술원(GIST) 신소재공학부 교수가 이끄는 연구진은 한국화학연구원, 스위스 로잔연방공대(EPFL)와 공동으로 페로브스카이트 태양전지의 결함 제어 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 유기물과 무기물이 섞여 있는 금속 산화물이다. 반도체와 부도체, 도체의 성질을 모두 가지는 물질을 발견한 러시아 광물학자 레프 페로브스키의 이름을 땄다. 실리콘 전지보다 간단하고 저렴한 화학반응으로 만들 수 있는 장점이 있다.

페로브스카이트 태양전지는 구조적인 안정성이 떨어진다는 문제가 있다. 수분이나 온도 같은 외부 환경에 의해 구조가 깨지면 발전 효율이 크게 떨어진다. 페로브스카이트 태양전지 상용화를 위해서는 구조 결함을 제어할 방법을 찾아야 한다.

연구진은 ‘6H 페로브스카이트 결정다형체’를 활용해 페로브스카이트 구조 결함을 제어하는 방법을 찾았다. 결정 다형체는 화학 조성은 같지만 층을 쌓는 순서를 다르게 해 특성이 변하는 상태를 말한다.

대표적인 페로브스카이트 소재인 ‘FAPbI₃'는 여러 결정다형체가 있다. 광전자 특성이 우수한 3C, 광전자 특성이 떨어지는 2H가 대표적이다. 광전자 특성은 결정 구조의 꼭짓점을 인근 구조와 얼마나 공유하는지에 따라 결정되는데, 3C는 모든 꼭짓점을 공유하며 2H는 꼭짓점 공유 없이 면으로 공유한다.

6H 결정다형체는 육면체 구조를 갖고 있으며 꼭짓점의 66%를 인근 결정과 공유한다. 3C 결정다형체와 특성이 유사한 만큼 결함에 끼워 넣어 제어할 수 있다.

연구진은 X선 회절분석기(XRD)를 이용해 3C와 6H 페로브스카이트를 분석해 꼭짓점 공유 위치에 따라 결함을 보완할 수 있다는 것을 확인했다. 두 종류의 페로브스카이트를 결합하면 ‘3C/6H 이종결정다형체’가 만들어지며 광전자적 특성이 개선되는 것으로 나타났다.

에너지 전환 효율은 공정과 면적에 따라 차이가 있었으나 최대 21.92%로 같은 면적의 기존 페로브스카이트보다 우수한 것으로 나타났다. 미국 태양전지효율 공인 기관인 뉴포트(Newport)에서는 21.44%의 효율을 인정 받았다.

김 교수는 “기존 페로브스카이트 결함제어 기술과 달리 소재 균일도와 결정성을 유지하면서도 효과적인 페로브스카이트 결함제어가 가능하다”며 “페로브스카이트 결함제어 연구의 새로운 장을 열고, 페발광다이오드, 광검출기 같은 광전자소자로의 응용도 기대된다”고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션’에 지난 4일 발표됐다. 우수한 성과를 인정 받아 최근 출판된 논문 50편 중 분야 최고의 논문을 가리는 ‘편집자 하이라이트’에 선정되기도 했다.

참고자료

Nature Communications, DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50016-6

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