무기 페로브스카이트 태양전지 성능·내구성 향상 기술 개발

고려대·한밭대·중국 텐진대 공동 연구팀
0차원·3차원 융합 태양전지 상용화 앞당겨

0차원 페로브스카이트 나노 결정과 3차원 페로브스카이트 간의 격자 구조 배열 및 정렬. (고려대 제공)/뉴스1

(대전=뉴스1) 김태진 기자 = 한국과 중국 연구진이 차세대 고효율 태양전지 소재로 꼽히는 무기 페로브스카이트 태양전지의 성능과 내구성을 동시에 향상하는 기술 개발에 성공했다.

한국연구재단은 고려대 임상혁 교수 연구팀이 장페이 교수 연구팀, 한밭대 홍기하 교수 연구팀과 차원 융합을 통해 기존 3차원 무기 페로브스카이트의 한계를 극복한 고효율 및 고안정성 무기 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 4일 밝혔다.

차원은 물질의 구조적 특성을 나타내는 개념으로 페로브스카이트 구조 내 BX6- 육면체의 연결 방식에 따라 결정된다. 0차원은 육면체가 독립적으로 존재하는 구조, 3차원은 육면체들이 x,y,z축 방향으로 모두 연결된 구조다.

유기-무기 하이브리드 페로브스카이트는 전력 변환 효율이 뛰어나지만 유기물로 인한 장기 안정성 문제가 상업화의 장애물로 작용하고 있다.

이를 해결할 수 있는 무기 페로브스카이트는 열 및 광 안정성이 뛰어난 반면 페로브스카이트 상 구조의 안정성이 떨어지는 한계가 있어 상용화를 위해서는 새로운 접근법이 필요하다.

페로브스카이트 상은 페로브스카이트 구조를 가지는 물질의 특정 결정 상태를 의미하며, 온도·압력·환경 조건에 따라 변할 수 있다.

이에 연구팀은 무기 페로브스카이트의 구조 안정성의 한계를 극복해 높은 효율과 내구성을 동시에 달성할 수 있는 방안을 개발했다.

연구팀은 스프레이 코팅 기술을 활용해 고순도 0차원 페로브스카이트 나노 결정을 3차원 페로브스카이트층 위에 균일하게 도포했을 때 태양전지의 효율과 안정성이 크게 향상됨을 규명했다.

이때 0차원 페로브스카이트 나노 결정은 전하 분리를 촉진하고 비방사 재결합을 억제하는 동시에 3차원 페로브스카이트의 격자를 고정해 변형을 방지함으로써 구조적 안정성을 획기적으로 강화하는 역할을 한다.

이러한 0차원-3차원 융합 구조는 태양전지의 열 및 광 안정성을 크게 향상, 21.03%의 전력 변환 효율과 초기 효율 대비 92.48%를 유지할 장기적인 내구성을 입증했다.

임상혁 교수는 “무기 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 모두 만족시키는 성과를 마련했다”며 “차원 융합 기술은 대규모 생산에도 적합한 제조 공정을 도입할 수 있어 다양한 산업 분야에서 친환경 에너지 솔루션으로 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 세종과학펠로우십, 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼스' 온라인에 지난달 17일 게재됐다.

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