왼쪽부터 서울대 김진영 교수, 고려대 김동회 교수, 서울대 박정원 교수, 서울대 지수근 박사과정생, 숙명여대 박익재 교수, 서울대 장호근 박사

서울대학교 공과대학(학장 홍유석)은 서울대학교 재료공학부 김진영 교수, 고려대학교 신소재공학부 김동회 교수, 서울대학교 화학생물공학부 박정원 교수 공동 연구팀이 결정화 키네틱스 제어를 통한 넓은 밴드갭 페로브스카이트 신소재 합성 기술을 개발해 세계 최초로 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지의 상안정성 난제 해결에 성공했다고 20일 밝혔다.

페로브스카이트 물질은 광전기적 특성이 우수하고 공정비용이 저렴해 차세대 태양전지의 광흡수층 소재로써 주목받고 있다. 최근 10년간의 활발한 연구는 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 현재 시중의 실리콘 태양전지와 대등한 수준으로 끌어올렸다.

특히 페로브스카이트 소재는 조성에 따라 밴드갭 조절이 용이해 기존 실리콘 태양전지에 적층할 수 있는데, 이러한 탠덤 태양전지는 기존 단일 광흡수층 대비 빛을 효율적으로 흡수해 면적당 발전량을 크게 증대시킬 수 있다.

또한 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 시중 실리콘 태양전지의 기존 생산 설비를 대부분 활용하면서 저렴한 추가 공정만으로도 생산 가능하다는 경제적 강점도 가져 향후 태양전지 시장의 주가 될 것으로 기대된다.

세계적으로 활발한 연구가 진행되고 있는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 현재 모든 종류의 단일 광흡수층 태양전지보다 높은 광전변환효율이 보고된 상황이다. 하지만 높은 변환효율과 달리, 혹독한 환경에서 작동하는 태양전지의 특성상 상용화에 필수적으로 여겨지는 소자의 안정성에 관한 연구는 아직 미흡하다.

페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에는 넓은 밴드갭을 갖는 페로브스카이트 소재가 사용되는데, 소재 내에서 발생하는 할라이드 상분리 현상이 낮은 안정성의 큰 원인으로 여겨진다.

넓은 밴드갭 에너지의 페로브스카이트 소재 합성을 위해서는 일반적으로 격자 내 요오드 원소를 브롬으로 치환하는 방법을 사용하는데, 이러한 혼합 할라이드 기반의 페로브스카이트 소재는 광 조사하에서 할라이드 상분리 현상이 발생해 낮은 상안정성을 보인다. 이는 태양전지의 안정성 및 효율에 악영향을 주는 것으로 여겨지며, 현재까지 이를 억제하기 위한 많은 연구가 시도됐지만 지금까지도 근본적인 해결책은 부재한 상황이다.

이에 김진영 교수 연구팀은 순수 요오드 원소로 이뤄진 넓은 밴드갭 에너지의 페로브스카이트 소재를 개발해, 상용화의 큰 걸림돌로 여겨지던 할라이드 상분리의 원인을 근본적으로 제거하는 돌파구를 제시했다.

연구진은 결정화 과정의 키네틱스에 초점을 두어 페로브스카이트 소재의 상형성에 큰 영향을 미치는 결정 인자인 이온 간 상이한 석출 경향성을 규명했으며, 이를 통해 열역학적으로 안정한 새로운 넓은 밴드갭 에너지 페로브스카이트 소재의 디자인 및 합성을 가능하게 했다.

나아가 연구진은 개발한 소재를 바탕으로 태양전지 소자를 구현해, 기존 할라이드 치환을 통해 제작된 소재의 태양전지보다 우수한 안정성을 나타냄을 보였다. 또한, 높은 안정성 및 29% 이상의 광전변환효율의 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지를 구현해 순수 요오드 기반 넓은 밴드갭 에너지 페로브스카이트 소재의 우수성을 입증했다.

김진영 교수는 이번 연구에 대해 “할라이드 상분리 현상을 근본적으로 해결하는 넓은 밴드갭 에너지 페로브스카이트 소재 조성의 방향성을 제시하는 중요한 연구이며, 특히 결정화 키네틱스에 대한 규명은 미래 고-가치 페로브스카이트 조성의 합성법 개발에 큰 기여를 할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편 이번 연구 성과는 그 중요성을 인정받아 세계적인 국제학술지인 줄(Joule)에 9월 게재됐으며, 한국연구재단 단계도약형 탄소중립기술개발사업, 나노 및 소재기술개발사업, 중견연구자 지원사업, LG 디스플레이 LGD-SNU incubation program, 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업, 기초과학연구원 연구단 사업, 삼성미래기술육성사업의 지원을 받았다.

언론연락처: 서울대학교 공과대학 재료공학과 태양에너지재료연구실 지수근 02-880-8024

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