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준이차원 페로브스카이트 태양전지 소재 개발

다양한 광전자반도체 소자 적용 기대

준이차원 페로브스카이트 태양전지 소재 개발 - 산업종합저널 소재
준이차원 페로브스카이트 소재 기반 태양전지의 구조(좌) 및 개발된 기능성 단분자 후처리를 통해 향상된 준이차원 페로브스카이트 소재 및 태양전지 특성 그림 (우)

가볍고 유연할 뿐만 아니라 성능 면에서도 기존의 상용화된 실리콘 기반의 태양전지와 비슷한 수준의 단위소자 효율을 보이고 있는 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지로 급부상하고 있다. 하지만 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 위해선 고효율뿐만 아니라 장기안정성을 확보하는 것이 꼭 필요하다.

대부분의 태양전지에 사용하는 페로브스카이트 소재는 친수성적인 측면이 강해 물이나 공기 중의 습도에 약한 특성을 가지고 있다. 이를 해결하기 위해 개발된 것이 준이차원 페로브스카이트 소재이다. 하지만 높은 환경적 안정성에도 불구하고 준이차원 페로브스카이트 소재 기반 태양전지는 기존의 페로브스카이트 소재 대비 낮은 전력변환 효율을 보인다.

준이차원 페로브스카이트 소재는 열역학적으로 수평배열의 결정성장을 선호하며 이에 의해 빛을 받아서 생성된 전자들의 수직 방향에 존재하는 전극으로의 이동이 용이하지 않아 낮은 전력변환 효율을 가지게 된다. 최근 이러한 결정배열 및 소재의 순도를 높이기 위한 연구가 활발히 진행되고 있지만 이를 해결하기 위한 더욱 근본적인 접근법이 필요하다.

한국연구재단은 광주과학기술원 이광희 교수(신소재공학부), 김희주 교수(에너지융합대학원) 공동 연구팀이 준이차원(qusai-2D) 페로브스카이트 소재에 간단한 후처리 기술을 적용해 소재의 결함을 해결하고, 효율 및 안정성을 확보한 태양전지 소재를 개발했다고 밝혔다.
■ 준이차원(quasi-two dimension)=수학적 평면 내에서 주기적인 삼차원 구조가 아니며 완전한 이차원 구조가 아닌 것으로 유한한 원자 혹은 나노 단위 크기의 두께를 가지고 있는 것.
■ 페로브스카이트(perovskite)_1839년 러시아 우랄산맥에서 발견된 광물의 결정구조로서 광물학자 Lev Perovski(1792-1856)의 이름에서 유래됨. 페로브스카이트 구조는 높은 전하이동 능력과 빛 흡수성으로 차세대 태양전지 소재로 각광 받고 있음.
■ 결함(defect)_결정에서 원자의 주기적인 배열이 깨지는 부분. 페로브스카이트 태양전지의 성능을 저하시키는 원인 중 하나로 알려져 있음.
페로브스카이트 태양전지는 기존의 상용화된 실리콘 기반 태양전지와 비슷한 효율을 보여 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

하지만, 상용화를 위해선 효율뿐만 아니라 장기안정성 확보가 필수적인데, 페로브스카이트 소재 자체의 흡습성적인 성질로 인한 소자 성능 저하로 인해 장기안정성 확보에 큰 걸림돌이 되고 있다.
준이차원 페로브스카이트 태양전지 소재 개발 - 산업종합저널 소재
준이차원 페로브스카이트 소재의 결정성에 대한 분석(가, 나), 준이차원 페로브스카이트 소재의 단면 관측 사진(다), 결함 부동태화 효과(라, 마) 및 분자 시뮬레이션 관련 데이터(바, 사)

뛰어난 환경적 안정성을 가진 준이차원 페로브스카이트 소재는 기존 소재의 낮은 장기안정성을 극복할 수 있어 학계의 많은 주목을 받고 있지만, 결정 성장 제어의 어려움과 소재 자체의 결함에 의한 낮은 전기적 성질이 태양전지의 성능을 떨어뜨린다는 한계가 있다.

이에 연구팀은 간단한 용액공정을 이용해 준이차원 페로브스카이트 소재의 결함·결정 제어를 하는데 성공했다. 연구팀이 개발한 기능성 단분자 후처리 방법을 도입한 준이차원 페로브스카이트 소재는 기능성 단분자에 의해 소재 표면 및 내부에 존재하는 이온성 결함을 부동태화 시켜 소재의 품질을 높였다.

개발된 준이차원 페로브스카이트 소재를 활용한 태양전지는 20.05%의 높은 효율을 보였으며 1천 시간의 가속 실험 후에도 초기 효율 대비 12% 정도의 감소를 보이는 우수한 광안정성 뿐만 아니라 높은 열적 및 수분 안정성 또한 갖는 것으로 나타났다.

준이차원 페로브스카이트 태양전지 소재 개발 - 산업종합저널 소재
준이차원 페로브스카이트 태양전지 안정성 관련 그래프. 위에서부터 각각 광안정성, 습도안정성, 열안정성 테스트

이광희 교수는 “이번 연구를 통해 고성능의 준이차원 페로브스카이트 소재 기반 광전자 소자 개발에 대한 실마리를 제시했다”라며, “향후 차량 및 건물 일체형 태양전지 개발, 고성능의 페로브스카이트 소재 기반 반도체 소자 등 실생활과 밀접한 다양한 분야에 활용 가능할 것으로 기대된다”라고 설명했다.

한편, 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 기후변화대응기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 재료분야 국제학술지‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 권두 표지 논문(frontispiece)으로 선정됐으며 지난 3일 게재됐다.


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