[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF, 이사장 이광복)은 국립한밭대학교 홍기하 교수와 고려대학교 임상혁 교수가 주도한 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지를 상용화하는 데 있어 큰 장애로 여겨졌던 독성과 안정성 문제에 대한 해결책을 제시했다고 29일 밝혔다.
이번 국립한밭대학교 홍기하 교수와 고려대학교 임상혁 교수 등의 공동 연구팀이 추진한 효율·안정성 향상된 페로브스카이트 태양전지 기술 개발 연구는 에너지 분야 국제학술지인 미국 화학회 에너지 레터즈 (ACS Energy Letters)에 11월 7일 게재돼 공개됐다.
이 학술지에 게재된 논문명은 “Compositional Design for High-Efficiency All-Inorganic Tin Halide Perovskite Solar Cells”이다.
일반적으로 페로브스카이트는 AMX3(A, M은 양이온, X는 음이온) 구조의 결정이며 부도체, 반도체, 강유전체의 성질을 가지고 있다.
이에 최근 차세대 태양전지, LED 연구에 사용되고 있지만 태양전지의 핵심 소재로 중금속인 납을 쓰고 있어 독성에 대한 안전성 문제가 제기돼 왔다.
특히 친환경 고내구성 소재 개발을 위해 납 성분과 물과 반응을 잘하는 유기 분자를 제거할 수 있는 소재의 개발은 필수적이지만 이와 관련된 연구가 전 세계적으로 초기 단계여서 성과가 미비한 상황이다.
이번 연구팀은 이러한 연구 필요성에 따라 납 대체물질로 가장 유망한 주석과 세슘 등을 적용해 최고 효율 11.87%의 무기물 기반 비납계 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.
연구과정을 보면 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.
이 과정에서 주석의 경우 효율과 안정성 측면에서 납 기반 물질보다 많이 뒤처져 있어 한계를 극복하기 위해서는 소재 조성의 최적화가 가장 중요한 것으로 인식했다.
또 태양전지의 성능에 중요한 역할을 하는 밴드갭 조절법에 대한 깊이 있는 연구를 통해 밴드갭을 낮게 조절할 수 있는 원리를 발견하고 이를 통해 고효율 소재의 개발 방향을 제시했다.
이 연구결과에 의하면 이번에 개발된 무기물 기반 주석 페로브스카이트 태양전지의 최고 효율은 11.87%로 동일 기술로는 세계 최고 효율이며 이러한 효율을 달성하는 과정에서 다른 연구자들이 많이 사용하고 있는 첨가물 등을 배제하고 달성한 효율이기 때문에 향후 더 많은 개선이 가능할 것으로 예상되고 있다.
이와 관련해 홍기하 한밭대 교수와 임상혁 고려대 교수 등 연구진은 “본 연구를 통해 개발된 태양전지는 친환경 무기 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율을 보이지만 납 성분 소재 태양전지보다 아직 많이 뒤처져 있다”며 “이를 뛰어넘기 위해서는 주석 기반 소재에서 발생하는 산화를 억제해야 하는데 후속 연구를 통해 관련 연구를 계속 진행할 계획”이라고 설명했다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 원천기술개발사업과 기초연구사업의 지원으로 수행됐다.