전자현미경으로 관찰한 농도변화에 따라 페로브스카이트 결정이 서로 다른 크기를 가짐 (a-e). 고농도에서 저농도로 변화할수록 결정크기가 약 100 nm에서 약 700 nm 로 변함 (f,g)

국내 연구진이 페로브스카이트 결정의 성장을 제어하는 기술을 통해 재현성이 뛰어나고, 광 포집(light harvesting) 기능과 전하 추출능력(charge carrier extraction)이 우수한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다.

※ 페로브스카이트 : ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. 특히 A(양이온)에 유기물을 사용할 경우 태양전지 특성이 우수한 물질이 된다.

이번 연구는 미래창조과학부에서 추진하는 글로벌프런티어사업인 멀티스케일에너지시스템연구단(단장 최만수 교수)의 지원을 받아 성균관대학교 박남규 교수 연구팀이 수행하였고, 연구결과는 8월 31일(일) 네이처 나노테크놀로지(Nature Nanotechnology) 온라인에 게재되었다. 또한 미국 MIT 공대에서 발간하는 MIT 테크놀로지 리뷰(제목: Controlled Crystals Make a New Solar Material Practical, 8. 31)에도 소개되었다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 낮은 발전단가로 인해 태양광 시장에서 차세대 태양전지로 최근 중요성이 부각되고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 투명전도성 기판 위에 탄소와 질소로 이루어진 유기물 용액과 요오드 기반의 무기물 용액을 코팅하여 매우 얇은 페로브스카이트 필름을 만든다. 이때 페로브스카이트 필름을 어떻게 만드는가에 따라 태양전지 성능이 달라진다. 빛을 매우 잘 흡수하고 전자를 많이 모을 수 있게 페로브스카이트 필름을 설계·제조하면 최대의 전기를 생산할 수 있다.

연구팀은 페로브스카이트 필름 제조 시, 유기물 농도를 크게 하면 페로브스카이트 결정이 작아지고, 반대로 유기물 농도를 줄이면 페로브스카이트 결정이 크게 성장하는 것을 발견하였다.

또한 큰 결정이 작은 결정에 비해 빛을 이용하는 특성도 우수하고 빛에 의해 생성된 전자를 효율적으로 추출할 수 있는 능력을 가진다는 것을 분광학적 분석을 통해 발견하였다.

연구팀은 페로브스카이트 결정을 크게 성장시키는 기술을 활용하여 광전류 21.64mA/cm2, 광전압 1.056V인 17.01%의 고효율 태양전지 개발에 성공하였다. 이는 선행연구(Advanced Materials ‘14. 6월)의 효율(16%)를 뛰어 넘는 우수한 성과이며, 특히 평균효율의 표준편차가 0.4% 이하로써 공정 재현성도 우수하여 양산화에도 바로 적용할 수 있을 것으로 예상하고 있다.

 리서치뉴스 박형용 기자