국내 연구진이 수분 안정성을 대폭 높인 차세대 태양전지 기술을 개발했다.

성균관대는 박남규 화학공학과 석좌교수 연구팀이 페로브스카이트 크리스탈 패싯(원자 배열이 공간적으로 반복된 패턴을 가지는 결정에서 기하학 모양의 평평한 면)에 따른 수분 안정성 차이점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 패싯 위주 필름 제작에 성공했다고 15일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용해 150도 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 앞서 연구팀은 지난해 기존 용액공정의 한계를 극복하고자 첨가제 공법을 이용해 100번 부위와 111번 부위 결정 패싯이 잘 발달한 페로브스카이트 필름을 만들고 패싯에 따른 광전류 의존성을 밝혀냈다.

이번 연구에서는 패싯이 잘 발달한 페로브스카이트 필름이 수분에 노출될 경우 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 점을 처음으로 확인했다. 특히 연구팀은 100번 부위는 수분에 매우 취약한 반면 111번 부위 패싯은 수분에 안정적이라는 사실을 밝혀냈다. 연구팀은 이론계산을 통해 물의 젖음에너지가 111번 부위 패싯에서 상대적으로 낮아 수분에 안정적이란 것을 알아냈다.

또 연구팀은 수분에 취약한 100번 부위 패싯에서는 물과 강한 결합이 생겨 알파에서 델타 상으로 페로브스카이트 상전이가 일어나 광흡수 특성을 잃게 된다는 사실을 분광분석과 엑스선 회절을 통해 밝혀냈다.

페로브스카이트 태양전지의 수분 안정성을 향상하기 위해서는 111번 부위 패싯으로 구성된 필름 제작 기술이 필수적이다. 박남규 교수팀은 사이클로헥실아민이라는 첨가제를 이용해 111번 부위 패싯이 98%를 차지하는 페로브스카이트 필름을 제작했다. 이 필름으로 만든 태양전지는 30-40% 상대습도 환경에서 약 2000시간 동안 초기효율의 95% 이상을 유지했다고 연구팀은 강조했다.

이번 연구는 교육과학기술부와 한국연구재단의 리더과제 지원으로 수행됐다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 수명을 획기적으로 개선, 상용화에 이바지할 것으로 기대했다.