국내 연구진이 수분 안정성을 획기적으로 높인 페로브스카이트 태양전지를 개발하는데 성공했다.
성균관대 화학공학과 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장)와 마춘칭 박사는 화학공학과 권석준 교수, 그랏첼 스위스 로잔연방공대 교수와 함께 페로브스카이트 크리스탈 패싯에 따른 수분 안정성 차이점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 패싯을 위주로하는 필름 제작에 성공했다고 13일 밝혔다. 이 연구 결과는 사이언스지(Science)에 발표됐다.
페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 앞서 2012년 박남규 교수 연구팀이 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발해 주목받았다. 이 공로로 클래리베이트는 2017년 박 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정하기도 했다.
태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용해 150도 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 박 교수 연구팀은 첨가제 공법을 이용해 (100)과 (111) 결정 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름을 제작하는데 성공했는데, 이번에는 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 걸 새롭게 알아냈다. 결정 패싯은 원자의 배열이 공간적으로 반복된 패턴을 가지는 결정에서 기하학적 모양의 평평한 면을 말한다.
(111) 패싯이 (100) 패싯보다 수준 안정성이 훨씬 우수했다. 수분에 취약한 (100) 패싯에서는 물과 강한 결합이 생기면서 알파에서 델타 상으로 페로브스카이트 상전이가 일어나 광흡수 특성을 잃게 된다는 것도 이번에 처음 밝혀졌다.
결국 태양전지의 수분 안정성을 높이기 위해서는 (111) 패싯으로만 구성된 필름 제작 기술이 필요한데, 박 교수 연구팀은 사이클로헥실아민이라는 첨가제를 이용해 (111) 패싯이 98%를 차지하는 페로브스카이트 필름 제작에 성공했다. 2000시간에 걸친 수분 안정성 테스트 결과 (111) 패싯 위주의 페로브스카이트 필름으로 만든 태양전지는 초기효율의 95% 이상을 유지하는데 성공했다.
참고자료
Science, DOI: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3349