철은 무르고 쉽게 녹이 생기는 특징을 갖습니다. 철에 소량의 다른 금속을 첨가하면 단단하고 녹슬지 않는 '스테인리스 스틸(stainless steel)'이 만들어지죠. 이처럼 첨가물을 이용해 '페로브스카이트(Peroveskite)'의 단점을 보완할 기술이 개발됐습니다. UNIST 에너지 및 화학공학부의 석상일 교수팀은 새로운 조성을 가진 페로브스카이트 물질로 광흡수층 소재를 만들고 이를 태양전지에 적용했다고 하는데요. 해당 연구 논문은 <Science>에 게재됐습니다. 개발된 소재는 첨가물을 바꾸는 방법만을 이용해 기존의 페로브스카이트 태양전지보다 효율성과 안정성(내구성)이 크게 향상됐다고 합니다.
태양전지, 남겨진 과제는?
페로브스카이트 태양전지는 값싼 무기물과 유기물을 혼합해 만듭니다. 때문에 비용이 저렴하고 저온에서 용액 공정으로 손쉽게 제조할 수 있어 간편하죠. 이런 이유로 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 뒤를 이을 차세대 태양전지 후보로 꼽힙니다.
태양전지의 핵심은 '광활성층'입니다. 광활성층은 태양광을 직접 흡수해 전자를 생산하는데요. 광활성층이 얼마나 튼튼하고 안정적인지, 또 빛을 전기로 바꾸는 효율이 얼마나 높은지가 상용화의 관건입니다. 페로브스카이트 태양전지에서는 페로브스카이트 결정 구조를 갖는 물질이 광활성층으로 쓰이는데요. 이 부분의 안정성 강화와 효율성 향상이 상용화를 위한 과제였습니다.
광활성층의 효율은 '밴드 갭(Band Gab)'이 결정합니다. 밴드 갭이란 물질 원자 내 전자의 에너지 구조를 말합니다. 밴드 갭이 좁을수록 태양광 중에서 흡수 가능한 파장대가 넓어집니다. 따라서 광활성층인 페로브스카이트 물질의 밴드 갭을 좁히는 게 중요하죠. 기존의 광활성층에는 페로브스카이트 결정구조가 바뀌지 않도록 메틸암모늄(MA, Methylammonium)이나 브롬(Br)을 넣었습니다. 그런데 메틸암모늄이나 브롬 같은 물질이 오히려 밴드 갭을 넓혔습니다. 페로브스카이트 결정 구조의 안정성을 유지하려 한 선택이 광활성층의 효율을 낮추게 된 셈입니다. 심지어 메틸암모늄은 광활성층의 내구성도 낮추는 문제를 보였습니다.
2가 유기 양이온으로 두 마리 토끼 잡다
석상일 교수팀은 브롬과 메틸암모늄을 대신해 다른 '2가 유기 양이온'(메틸렌다이암모늄, MDA)을 첨가했습니다. 그 결과 새로운 첨가물은 광활성층의 안정성과 효율성을 동시에 잡았습니다. 즉, 광활성층의 결정구조를 안정하게 만들면서 효율도 유지했다는군요.
이번 논문의 제1저자인 민한울 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 "이번 연구는 페로브스카이트 물질의 내구성을 위해 주로 첨가하던 물질(1가 양이온)이라는 고정관념에서 벗어난 시도가 좋은 결과로 이어진 것"이라며 "2가 유기 양이온을 첨가한 페로브스카이트의 효율은 23.7%였고, 실제 태양광을 쪼여주는 환경에서 600시간 이상 가동해도 90% 이상 안정적으로 작동했다"고 설명했습니다.
이번 연구는 기존에 사용하던 조성과 완전히 다른 새로운 조성의 소재로 태양광의 흡수 파장대역을 넓혔습니다. 이를 통해 연구팀은 태양전지의 광전류 밀도를 세계 최고로 증가시켰습니다. 또한 열·광·수분 안정성도 크게 향상시켰다고 합니다.
이번 연구를 주도한 석상일 교수는 "논문 투고 이후 추가로 최적화된 전하 전달 소재를 개발했고 계면 결함 최소화 연구도 진행해 이들을 조합하면 26% 이상의 효율 달성이 가능할 것"이라고 전망했습니다. 석 교수는 "UNIST 창업기업인 프론티어에너지솔루션㈜와 함께 대면적 모듈 기술을 접목해 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 연구를 이어갈 계획"이라고 밝혔습니다.
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