이화여대, 차세대 페로브스카이트 태양전지 개발

- 안정성 향상 기술 개발로 탄소중립 실현 한 발짝 다가서

APbI₃이 서로 다른 ETL(전자 수송층, Electron Transport Layer)에서 전자 및 이온의 이동을 보여주는 이미지. (자료제공: 이화여대)

이화여자대학교(총장: 김은미)는 물리학과 프론티어10-10사업단의 사업단장 조윌렴 교수(신재생에너지연구센터장, 교신저자)는 김지현 박사과정생(제1저자)과 함께 차세대 페로브스카이트 태양전지에 암모늄 이온을 첨가하는 공정을 세계 최초로 도입, 2차원 페로브스카이트의 형성을 통해 높은 효율과 안정성을 확보하는 데 성공했다고 8월 12일 밝혔다. 

연구팀이 개발한 태양전지는 최대 24.38%의 효율을 달성했으며, 2,000시간 넘게 92%의 초기 성능을 유지했다. 기존 태양전지 성능시험보다 2배 이상 늘어난 국내 최장시간 시험을 통과했으며, 효율과 안정성 측면에서 국내 최고 수준을 달성했다. 

태양전지는 태양광의 무한한 자원에너지를 활용하는 차세대 신재생에너지로 매우 각광 받고 있다. 현재 태양전지 대부분은 실리콘으로 만드는데, 제조 비용이 비싸고 쉽게 깨져 유지비가 많이 든다는 단점이 있다. 이러한 실리콘을 저렴하고 빛을 잘 흡수하는 신소재 페로브스카이트로 대체하려는 시도가 활발하다. 

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄산맥에서 이 물질을 처음 발견한 러시아 광물학자 페로브스키의 이름에서 유래했다. 차세대 태양전지 소재 페로브스카이트는 높은 에너지 효율과 경제성으로 주목받고 있지만 10년 이상 사용할 수 있는 실리콘 태양전지에 비해 성능 안정성이 떨어져 기술 상용화의 걸림돌로 작용했다. 

페로브스카이트 태양전지의 성능을 안정적으로 유지하기 위해서는 전기가 잘 흐를 수 있도록 페로브스카이트 박막 내부의 전하 분포를 균일하게 유지하는 것이 무엇보다 중요하다. 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 기존 전자 수송층에 사용되는 산화주석(SnO2)에 암모늄 이온(NH4+)을 첨가하는 공정을 세계 최초로 도입해 페로브스카이트 박막 내부의 전하 불균형과 전자 수소층과 인접한 계면에서 전하 추출 능력이 떨어지는 것을 막았다. 

산화주석과 반응한 암모늄 이온이 페로브스카이트 박막 내부의 이온이 전자 수송층으로 흡착되는 결함을 해소해 전지의 효율과 안정성을 끌어올리도록 한 것이다. 또한 이동 장벽이 낮은 양이온이 상호 교환되는 현상을 이용해 2차원 페로브스카이트 물질을 자체 생성하도록 유도했고, 이 물질이 페로브스카이트의 계면 결함을 줄여줄 뿐만 아니라 전하 분포를 고루 유지하면서 소자의 능력이 개선되었다고 연구팀은 설명했다. 

연구팀은 이를 통해 태양전지의 전하 수송 능력이 크게 향상되어 84%의 충전율로 24.38%의 효율을 달성했으며, 2,070시간 동안 초기 성능의 91.87%가 안정적으로 유지되는 것을 확인했다. 

조윌렴 교수팀의 이번 연구 성과는 이동 장벽과 전하 분포의 균일성 사이의 상관관계에 대한 새로운 통찰과 관점을 제공하면서 탄소중립에 핵심이 될 차세대 태양전지 개발을 앞당겼다는 평가를 받는다. 또한 차세대 태양전지 소재에 암모늄 이온을 첨가하는 세계 최초의 공정 도입과 이를 통한 전하 분포 제어를 통해 탄소중립과 에너지 문제 해결에 기여할 것으로 전망된다. 

이번 연구는 물리학과 이화프론티어10-10사업단과 성균관대학교 나노공학과 박지상 교수, 한국과학기술연구원(KIST) 김지영 박사의 협력 연구를 통해 이루어졌으며, 한국연구재단(중점연구소사업, 중견연구자사업, 기후변화과제사업)의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 에너지 및 연료 분야 학술지 ‘Advanced Energy Materials’에 8월 4일 온라인 게재됐다. 

[Ceramic Korea (세라믹코리아)=이광호 ]