▲ 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있는 조성 탐색과정(좌) 조성에 따른 결정구조 안정성 및 밴드갭 변화(우) 밴드갭에 따라서 기대할 수 있는 이론적 최고 효율 / 밀도 범함수를 이용한 이론 계산을 통해 무연 소재의 안정성과 고효율을 동시에 달성할 수 있는 조성영역을 탐색한 과정을 나타내고, 최적 조성으로 예측한 CsSnI2Br 의 이론적 최고 효율을 도시하였음.(그림 및 설명=한밭대학교 홍기하 교수)  © 특허뉴스

국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지를 친환경적이면서 고효율로 제조할 수 있는 새로운 소재 기술을 개발했다.

페로브스카이트는 AMX3(A, M은 양이온, X는 음이온) 구조의 결정으로 부도체, 반도체, 강유전체의 성질을 가지며, 최근 차세대 태양전지 및 LED 연구에 사용되고 있다.

한국연구재단은 홍기하 교수(국립한밭대학교)와 임상혁 교수(고려대학교)가 주도한 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 데 있어 큰 장애로 여겨졌던 독성과 안정성 문제에 대한 해결책을 제시했다고 밝혔다. 

페로브스카이트는 태양전지의 핵심 소재로 중금속인 납을 쓰고 있어 줄곧 독성에 대한 안전성 문제가 제기돼 왔다. 

친환경 고내구성 소재 개발을 위해 납 성분과 물과 반응을 잘하는 유기 분자를 제거할 수 있는 소재의 개발은 필수적이다. 그러나 이와 관련된 연구가 전 세계적으로 진행되고 있으나, 초기 단계여서 성과가 미비한 상황이다.

이에 연구팀은 납 대체물질로 가장 유망한 주석과 세슘을 적용, 최적 조성 탐구를 통해 최고 효율 11.87%의 무기물 기반 비납계 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

주석의 경우 효율과 안정성 측면에서 납 기반 물질보다 많이 뒤처져 있어 한계를 극복하기 위해서는 소재 조성의 최적화가 가장 중요했다.

한밭대팀은 이론적 분석을 통해 소재가 안정적이면서 고효율로 작동할 수 있는 조성영역을 탐색했고, 고려대팀은 세심한 정제과정을 통해 이론적으로 제시된 조성에서 실제 고효율 태양전지의 제조가 가능함을 증명했다. 또한, 태양전지의 성능에 중요한 역할을 하는 밴드갭 조절법에 대한 깊이 있는 연구를 통해 밴드갭을 낮게 조절할 수 있는 원리를 발견, 이를 통해 고효율 소재의 개발 방향을 제시했다.

연구진은 “본 연구를 통해 개발된 태양전지는 친환경 무기 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율을 보이지만, 납 성분 소재 태양전지보다 아직 많이 뒤처져 있다”며, “이를 뛰어넘기 위해서는 주석기반 소재에서 발생하는 산화를 억제해야 하는데 후속 연구를 통해 관련 연구를 계속 진행할 계획”이라고 설명했다. 

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘미국 화학회 에너지 레터즈 (ACS Energy Letters)’에 11월 7일에 온라인 게재되었다. 

논문명은 Compositional Design for High-Efficiency All-Inorganic Tin Halide Perovskite Solar Cells 이다.