- 무기 페로브스카이트 태양전지 성능과 내구성 동시 향상 기술- 

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

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

*차원: 물질의 구조적 특성을 나타내는 개념으로, 페로브스카이트 구조 내 BX6- 육면체의 연결 방식에 따라 결정된다. 0차원은 육면체가 독립적으로 존재하는 구조, 3차원은 육면체들이 x,y,z축 방향으로 모두 연결된 구조다.

**무기 페로브스카이트(inorganic perovskite): 금속 양이온(A,B)과 할라이드(X)로 이루어진 ABX3 결정 구조의 물질을 말하며, 차세대 고효율·고내구성 태양전지 개발에 유망한 소재로 각광받고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 기술이 성숙하고 상용화가 임박해 한국, 중국, 중동 등의 기술 개발 경쟁이 매우 치열하다. 

유기-무기 하이브리드 페로브스카이트는 전력 변환 효율이 뛰어나지만 유기물로 인한 장기 안정성 문제가 상업화의 장애물로 작용하고 있다. 

이를 해결할 수 있는 무기 페로브스카이트(CsPbI3)는 열 및 광 안정성이 뛰어난 반면 페로브스카이트 상(perovskite phase: 페로브스카이트 구조를 가지는 물질의 특정 결정 상태를 의미하며, 온도·압력·환경 조건에 따라 변할 수 있다) 구조의 안정성이 떨어지는 한계가 있어 상용화를 위해서는 새로운 접근 방법이 필요하다.

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 재결합*을 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.

 *비방사 재결합(nonradiative recombination): 태양전지 작동 시 생성된 정공과 전자가 각 전극으로 이동하지 못해 전기에너지로 전환되지 않고 서로 재결합하면서 열에너지로 방출되는 현상.

이번 연구에 대해 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 게재되었다. 

(그림1) 0차원(Cs4PbBr6) 페로브스카이트 나노 결정과 3차원(CsPbI3) 페로브스카이트 간의 격자 구조 배열 및 정렬 

(가)는 고순도 0차원 페로브스카이트 나노 결정 이미지를, (나)는 스프레이 코팅 기법을 통해 0차원 페로브스카이트 나노결정이 3차원 페로브스카이트층 위에 적층된 구조를 보여주며, (다)는 이 나노결정들이 3차원 페로브스카이트층 위에 무작위로 배열된 모습을 나타냅니다. (라)는 두 층에 상응하는 격자 간격과 두 층 간의 격자 정렬을 보여주며, 0차원 페로브스카이트 나노결정이 3차원 페로브스카이트의 격자 변형을 완충하고 고정하는 역할을 수행함을 확인할 수 있습니다.(그림설명 및 그림제공 : 고려대학교 임상혁 교수)

(그림2) 0차원(Cs4PbBr6) 페로브스카이트 나노 결정 도입에 따른 페로브스카이트 태양전지 소자 구조 및 성능 비교                       

(가)는 0차원 페로브스카이트 나노 결정을 도입한 태양전지와 기존 태양전지의 전압-전류 특성 그래프로, 도입된 경우에 21.03%의 전력 변환 효율을 나타낸다. (나)는 장기 안정성을 평가한 그래프로, 도입된 경우에 초기 효율 대비 92.48% 유지한다. (다)는 모듈 사진이며, (라)는 모듈의 전압-전류 특성 그래프로, 도입된 경우 17.39%의 전력 변환 효율을 나타낸다. (그림설명 및 그림제공: 고려대학교 임상혁 교수)