납 없는 친환경 페로브스카이트 태양전지 최고효율 달성

한밭대·고려대 연구팀, 무기물 소재로 11.87% 효율 기록

홍기하 한밭대 교수와 임상혁 고려대 교수 공동 연구팀이 납을 사용하지 않는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 사진은 논문이 게재된 국제학술지 ACS Energy Letters 보조표지 그림 [사진=한국연구재단]

[아이뉴스24 최상국 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지를 친환경적이면서 고효율로 제조할 수 있는 새로운 소재 기술을 개발했다.

한국연구재단은 홍기하 한밭대 교수와 임상혁 고려대 교수 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 데 있어 장애가 되고 있는 납 독성과 안정성 문제에 대한 해결책을 제시했다고 밝혔다.

페로브스카이트는 티탄산칼슘(CaTiO3)처럼 AMX3(A, M은 양이온, X는 음이온) 구조의 분자식을 가진 결정이다. 소재 구성에 따라 부도체, 반도체, 강유전체의 성질을 가지며, 금속 할로겐 페로브스카이트는 우수한 전기적, 광학적 특성으로 인해 차세대 태양전지의 핵심 소재로 큰 주목을 받고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 2009년 처음 등장한 이후 10여 년 동안 급속한 효율 향상이 이루어져 현재는 실리콘 태양전지와 경쟁할 수 있는 26% 이상의 광전변환 효율을 기록하고 있다. 하지만, 대부분의 고성능 페로브스카이트 태양전지는 독성 물질인 납(Pb)을 금속 양이온 소재로 사용하고 있어 향후 상용화를 위해서는 납을 쓰지 않는 친환경 페로브스카이트 소재 개발이 필수적이다. 또한 수분에 취약한 페로브스카이트의 내구성을 높이기 위한 연구도 필요하다.

이번 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.

연구팀은 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 제시했다고 밝혔다..

연구진은 "친환경 고내구성 소재 개발을 위해서는 납 성분과, 물과 반응을 잘하는 유기 분자를 제거할 수 있는 소재의 개발이 필수적"이라며 "납과 유기 분자를 대체할 수 있는 주석과 세슘을 사용하면서 고효율과 내구성을 동시에 확보하고자 했다"고 연구 배경을 설명했다.

홍기하 교수는 "이번 연구를 통해 개발된 태양전지는 친환경 무기 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율을 보이지만, 납 성분 소재 태양전지보다 아직 많이 뒤처져 있다”며 “태양전지 소재의 독성 문제를 근본적으로 해결하기 위한 후속 연구를 계속 진행할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘미국 화학회 에너지 레터즈 (ACS Energy Letters)’에 11월 7일에 온라인 게재됐다. (논문명 :Compositional Design for High-Efficiency All-Inorganic Tin Halide Perovskite Solar Cells. DOI:10.1021/acsenergylett.3c02032)

/최상국 기자(skchoi@inews24.com)

[ⓒ 아이뉴스24 무단전재 및 재배포 금지]