한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 이정훈 박사팀은 UC Berkeley 물리학과 Jeffrey B. Neaton 교수팀과의 공동 연구를 통해 하이브리드(유기금속 할라이드) 페로브스카이트 태양전지가 외부 압력과 충격을 받을 때 발생하는 구조 변화와 금속화 현상으로 인한 성능 저하의 원인을 이론적으로 규명했다고 밝혔습니다. 해당 연구는 <ACS Energy Letters>에 게재됐습니다.
극한환경에서도 사용되는 태양전지
현재 태양전지는 일반 생활에서 뿐만 아니라 대기권 및 우주, 사막, 그리고 바다와 같은 극한 환경에서도 많이 사용되고 있습니다. 최근 높은 효율과 저렴한 생산비용으로 인해 주목받고 있는 하이브리드(유기금속, 할라이드(I), 납(Pb)으로 구성) 페로브스카이트 태양전지는 기존 상용화돼 있는 값비싼 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있습니다. 따라서 극한 환경에서 정상적으로 작동할 수 있는 고효율의 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 소재를 설계하는 것에 연구자들의 이목이 집중되고 있는 상황입니다.
하지만 최근 학계에서는 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 외부의 높은 압력 및 충격을 받았을 때, 사방정계 구조(Orthorhombic structure)에서 입방정계 구조로 변하는 상 전이(Phase transition) 현상과 소자 내에 전기가 흘러 정상적인 기능을 수행하지 못하게 되는 금속화 현상(Metallization)이 보고돼 상용화에 큰 어려움을 겪고 있었습니다.
- 사방정계 구조(Orthorhombic structure)
정육면체 구조에서 세 개의 축이 서로 다른 길이를 가집니다.
- 입방정계 구조(Cubic structure)
정육면체 구조를 말합니다.
구조와 특성이 변한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 역할을 수행할 수 없습니다. 이는 외부의 압력이 태양전지의 성능을 현저히 저하시키는 것을 의미하며 현재까지 그 원인이 명확히 밝혀지지 않았습니다.
태양전지 성능저하 원인 규명
KIST-UC Berkeley 공동연구진은 수퍼컴퓨터를 활용한 양자역학 이론(범밀도함수론)을 통해 외부 압력에 의한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 구조변화(상 전이) 현상을 이론적으로 증명했습니다. 연구진은 상 전이가 일어나는 압력을 정확하게 예측함으로서 유기 분자들이 고압력 하에서 더 높은 안정성을 위해 원래 상태인 사방정계 구조보다 입방정계 구조로 유도되는 현상을 밝혔습니다.
또한 연구진은 높은 압력 하에서 하이브리드 페로브스카이트의 원소 중 하나인 납 원자들이 상호작용을 일으켜 부도체에서 도체 특성을 가지게 되는 금속화 현상을 야기해 전기가 흐르게 하는 원인임을 이론적으로 증명해 냈습니다.
- 범밀도함수론(Density functional theory)
물질 내부의 안정한 전자 분포와 에너지를 계산하기 위한 양자역학 방법론 중 하나입니다.
KIST 연구진은 이번 연구를 통해 그간 외부압력에 의한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 성능저하의 원인을 최초로 규명했습니다. KIST 이정훈 박사는 현재 후속연구로 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 최적화된 소재를 개발 중에 있습니다. 특히 구조변화를 일으키지 않는 유기금속과 금속화현상의 원인 및 환경파괴의 원인으로 지목되는 납을 대체할 수 있는 원소를 찾는다면 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대하고 있습니다.
KIST 이정훈 박사는 "이번 성과는 향후 고성능의 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 개발 및 최적화에 있어 새로운 이론적 가이드라인을 제시할 것으로 기대한다"라고 말하며 "하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것으로 기대"한다고 밝혔습니다.
##참고자료##
