고려대, 차세대 태양전지 소재 효율 26% 개선

[이데일리 김응열 기자] 고려대는 건축사회환경공학부의 노준홍 교수 연구팀이 차세대 태양전지 핵심 소재로 꼽히는페로브스카이트의 내부구조를 바꿔 효율을 26% 개선하는 데 성공했다고 6일 밝혔다.

(왼쪽부터)노준홍 고려대 건축사회환경공학부 교수(교신저자), 이승민 한국과학기술원 응용과학연구소 연구원(공동제1저자), 장연우 서울대 정밀기계공동연구소 선임연구원(공동제1저자). (사진=고려대)

페로브스카이트 전하 이동 능력이 뛰어나 차세대 고효율 태양전지의 핵심 소재로 꼽힌다. 다만 습기나 열에 민감해 성능이 저하되지 않도록 첨가제를 넣거나 표면에 화학약품 처리를 해야 했다. 이 경우 성능 향상은 가능하지만 실제 공정에서 영구 결합과 양이온 교환 등 다양한 상호작용이 일어나 어떤 작용이 핵심 역할을 하는지 따로 분석하기는 어려웠다.

이에 연구팀은 페로브스카이트 2차원 박막과 3차원 박막을 각각 따로 만든 뒤 단순히 맞닿게 하는 실험을 설계했다. 그 결과 영구적인 화학반응이나 접합 형성 없이 두 층이 맞닿기만 해도 새로운 양이온 상호작용이 나타나고 떨어지면 다시 원래 상태로 돌아가는 가역적 변화를 발견했다.

연구팀이 발견한 ‘접촉 유도 양이온 상호작용’은 표면에서 시작된 계면 상호작용이 물질 내부 구조까지 바꿀 수 있다는 점을 입증했다. 상호작용이 강할수록 분자의 움직임은 더 제한됐고 구조도 안정적으로 유지됐다. 또 상호작용이 작동하는 상태에서 추가 열처리를 하면 3차원 페로브스카이트의 이온 분포가 더 균일해지고 결정 배열도 더 정돈됐다.

이러한 과정을 통해 구조가 정제된 페로브스카이트는 태양전지의 성능과 안정성을 모두 향상시켰다. 광전변환효율은 최고 26.25%를 기록했으며 2000시간 구동 후에도 초기 효율의 95.2%를 유지했다. 가속 열화 시험을 바탕으로 추정한 예상 작동 수명은 약 2만 4800시간으로 나타났다.

노준홍 교수는 “페로브스카이트는 단순한 접촉만으로도 새로운 계면 상호작용을 유도해 구조 재편까지 이끌 수 있음을 밝혀냈다”며 “페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 높일 수 있다”고 말했다.