차세대 태양전지 소재로 각광받는 ‘납 페로브스카이트(Pb-based Perovskite)’는 값싸고 광전효율도 높다. 하지만 납 중독과 대기 중 불안정성으로 상용화가 어렵다. 이에 ‘납 없는 페로브스카이트(Pb-free perovskite)’가 대안으로 제시됐지만 효율이 현저히 낮아 활용처가 애매한 상황이었다.
권태혁 자연과학부 화학과의 권태혁 교수팀은 ‘납 없는 페로브스카이트’를 기존과 다르게 활용해 태양전지 재료로서 가능성을 열었다. 이 물질을 유기염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)에서 전하(Charge)를 전달하는 역할로 활용해 효율은 물론 안정성까지 높였다.
이번에 쓰인 페로브스카이트 물질은 납(Pb) 대신 주석(Sn)을 쓰는 Cs₂SnI₆이다. 납이 없는 것은 물론이고 대기 중에서 안정성도 높아 실제 상용화 가능성도 크다. 하지만 이 물질에서 전하가 전달되는 구체적인 원리가 밝혀지지 않아 각종 소자의 재료로 이용되지 못했다.
Cs₂SnI₆의 표면 상태를 검증하기 위한 3전극 시스템
권태혁 교수팀은 이번 연구를 통해 Cs₂SnI₆에서 전하 전달이 ‘표면 상태(Surface State)’에서 이뤄진다는 점을 밝혔다. 표면 상태는 물질 표면에 가까운 원자층(Atom ic Layer)인데, 광학 반도체 물질 내에서 전하가 머물거나 다른 곳으로 이용하는 경로 역할을 한다.
제1저자인 신현오 UNIST 화학과 석․박사통합과정 연구원은 “Cs₂SnI₆에서는 다른 물질에서 받아들인 전하가 표면 상태를 통해서 이동하는 성질이 있었다”며 “이 사실은 납 없는 페로브스카이트를 이용한 에너지와 전기 소자를 제작하는 데 매우 중요한 전략을 제공한다”고 강조했다.
표면 상태에서 전하가 전달되는 Cs₂SnI₆을 적용한 소자 성능을 높이려면, 표면 상태의 에너지 수준을 고려한 설계가 필요하다. 전하를 주고받는 다른 물질이나 지점과 표면 상태의 에너지 수준의 차이가 커야 전하가 더 잘 전달되기 때문이다.
Cs₂SnI₆ 기반 전하 전달체를 포함한 유기염료 감응형 태양전지의 도식화
연구진은 이런 전략을 바탕으로 Cs₂SnI₆를 유기염료 감응형 태양전지의 전하 재생제(Charge Regenerator)로 활용해 하이브리드 태양전지를 제작했다. 유기염료 감응형 태양전지는 햇빛을 받아 산화된 유기염료가 전하를 받고 원래대로 되돌아가려는 과정에서 전류가 생성된다. 전하 재생제는 전하를 전달해 유기염료를 원래대로 재생시키는 물질을 뜻한다.
또 다른 제1저자인 김병만 UNIST 화학과 박사는 “Cs₂SnI₆ 표면 상태와 연계성이 뛰어난 유기염료에서 전하가 잘 전달돼 전류가 많이 발생했다”며 “이때 전류는 기존 유기염료 감응형 태양전지에서 전하 재생제로 쓰던 요오드 전해질보다 80%가량 높아졌다”고 전했다.
납 없는 페로브스카이트 필름(왼쪽)과 유기염료 감응 태양전지(오른쪽). | 사진: 김경채
이번 연구는 Cs₂SnI₆의 전하전달 메커니즘을 밝히고, 이 내용을 소자로 구현해 입증했다는 점에서 주목받고 있다. 향후 Cs₂SnI₆가 활용된 소자를 설계하는 데 길잡이가 될 수 있기 때문이다.
권태혁 교수는 “납 없는 페로브스카이트가 나아갈 방향 중 하나로 유기염료 감응형 태양전지를 융합한 ‘하이브리드 태양전지’를 제시했다”며 “이번에 밝힌 전하전달 메커니즘을 활용하면 납 없는 페로브스카이트를 더욱 다양한 분야에 적용할 수 있을 것”이라고 전했다.
이번 연구는 GIST 방윤수 교수팀도 공동으로 참여했다. 연구 결과는 재료화학 분야의 권위지인 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials) 11월 30일자 온라인판에 게재됐다.
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