0차원과 3차원 융합해 태양전지 상용화 앞당겼다

차세대 고효율 태양전지 소재로 꼽히는 무기 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 기술이 개발됐다.

한국연구재단은 고려대 임상혁 교수 연구팀이 텐진대 장페이(Zhang Fei) 교수 연구팀, 한밭대 홍기하 교수 연구팀과 함께 차원 융합을 통해 기존 3차원 무기 페로브스카이트의 한계를 극복한 고효율 및 고안정성 무기 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

페로브스카이트 소재는 신재생 에너지 분야에서 지난 10년간 급격한 성장을 보이며, 기존의 결정질 실리콘 기반 태양전지와 유사한 26.1%의 전력 변환 효율을 기록했다. 그러나 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트는 유기물로 인한 장기적인 안정성 문제가 상업화의 주요 장애물로 작용하고 있으며, 특히 고온과 습한 환경에서 성능 저하가 두드러진다.

이러한 문제를 해결하기 위해 열 및 광 안정성이 뛰어난 무기 페로브스카이트(CsPbI3-xBrx, x=0-3)가 주목받고 있다. 이 무기 페로브스카이트는 높은 열분해 온도와 이온 이동에 대한 높은 활성화 에너지를 가지고 있어 기존의 유기-무기 하이브리드 페로브스카이트보다 우수한 안정성을 제공한다. 특히, 역구조(inverted) 무기 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지와의 탠덤형 상부 셀로 적합한 에너지 밴드갭을 가지고 있어, 차세대 초고효율 태양전지 개발의 유망한 후보로 떠오르고 있다.

연구팀은 무기 페로브스카이트의 구조 안정성의 한계를 극복해 높은 효율과 내구성을 동시에 달성할 수 있는 방안을 개발했다. 스프레이 코팅 기술을 활용해 고순도 0차원(Cs4PbBr6) 페로브스카이트 나노 결정을 3차원(CsPbI3) 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 향상시켜, 21.03%의 전력 변환 효율과 초기 효율 대비 92.48%를 유지할 수 있는 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 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구, 세종과학펠로우십, 나노·소재기술개발사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 재료공학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머터리얼즈(Advanced Materials)’에 8월 17일 온라인 게재됐다.