이종(異種) 소재를 무결점으로 연결하는 방법으로 박막 태양전지의 전력 생산 효율과 안정성을 동시에 높이는 새로운 기술이 개발됐다. 최고 권위 과학저널인 네이처(Nature)지는 이 같은 연구 결과를 10월 20일(현지시각)자로 온라인에 공개했다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과 석상일 특훈 교수팀은 박막 태양전지 구성층 사이에 집중된 결함을 최소화할 수 있는 중간층의 생성 원리를 밝혀내고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 25.8% 효율을 갖는 전지를 개발했다. 이는 논문으로 공식 보고된 세계 최고 효율이다. 미국 재생에너지연구소(National Renewable Energy Laboratory)에서 인증 받은 공인 기록도 25.5%로 가장 높다.
그림1. 광활성층(페로브스카이트)과 전자전달층을 무결점으로 잇는 중간층 형성
이 중간층은 박막형태 이종소재 구성층 사이에서 완충재 역할을 해 결함을 획기적으로 줄인다. 결함은 내구성뿐만 아니라 전자(전기입자)의 흐름을 방해해 효율도 떨어뜨린다. 특히 구성 원소와 원자가 배열된 모양 자체가 다른 이종 소재가 맞닿는 지점(계면)에서는 배열이 찌그러져 원자가 빠지는 등의 결함이 쉽게 생긴다. 구성층 끼리 약한 물리적 결합으로만 연결되기 때문이다.
연구팀은 전자전달층과 페로브스카이트 광활성층간에 생성된 이 중간층 물질을 실험을 통해 입증했다. 확인 결과 이 물질은 전자전달층과 광활성층을 원자 수준에서 결함 없이(atomically coherent)연결했다. 포항가속기연구소 X-선 빔라인 등을 실험에 활용했다.
그림2. 첨단 극미세 분석으로 중간층을 확인함
이러한 중간층은 전자전달층의 주석 성분 덕분에 만들어졌다. 주석(Sn)은 2가 양이온 (Sn2+)인 동시에 4가 양이온(Sn4+)이 될 수 있다. 또 전자전달층내 산소 이온뿐만 아니라 페로브스카이트의 염소 이온과도 결합할 수 있다. 연구팀은 바로 이 두 가지 원리에서 착안해 전자전달층과 페로브스카이트를 원자단위에서 결정구조학적으로 연결하는 중간층을 얻을 수 있었다.
그림3. 무결점 연결층 형성으로 제조한 페로브스카이트 태양전지의 성능
석상일 교수는 “페로브스카이트 광활성층과 전자전달층의 소재와 구조에 대한 심도 있는 이해를 바탕으로 효율과 안정성을 모두 갖춘 페로브스카이트 태양전지를 개발할 수 있었다”고 설명했다.
석 교수는 이어 “세계 최고의 인증 효율을 달성한 것은 물론 이를 체계적으로 분석하는 접근법은 후속 연구자들에게 큰 영감을 줄 수 있다는 점에서 뜻깊은 연구”라고 전했다.
석 교수는 페로브스카이트 태양전지로 마의 효율이라 불렸던 20%를 처음 넘긴 것은 물론, 세계 최고의 공인 효율을 스스로 다섯 차례나 경신했다. 지금도 세계 최고의 기록을 보유하고 있다. 이러한 결과는 지난 2012년에 독자적으로 개발한 페로브카이트 이종접합태양전지 구조 덕분이다. 현재 24%가 넘는 고효율 페로브스카이트 태양전지의 대부분은 이 구조를 갖는다. 또 세계 최고 권위의 과학저널(journal)인 네이처와 사이언스(Science)에 보고한 논문도 이번으로 8편째에 이른다. 지난 9월에는 페로브스카이트 태양전지의 탄생과 개발에 기여한 공로로, 2022 랭크 광전자공학상(Rank Prize in Optoelectronics)에 공동 수상자로 선정된바 있다. 영국 랭크 재단에서 수여하는 이 상은 노벨상 수상자를 배출한 저명 과학상이다.
한편, 페로브스카이트 태양전지는 상용화된 실리콘 태양전지와 달리 얇고 가볍고, 유연하게 만들 수 있다. 용액 공정으로 값싸게 만들 수 있어 차세대 태양전지로 꼽힌다. 전하입자(전자, 정공)를 만드는 광활성층 물질로 페로브스카이트를 쓴다.
이번 연구에는 UNIST 반도체소재·부품대학원 신태주 교수(UNIST 연구지원본부 본부장), 포항가속기연구소 김민규 박사, UNIST 민한울 연구원, 이도윤 연구원 등이 참여했다. 연구 수행은 한국연구재단 리더연구자지원사업, 국방과학기술연구소(ADD) 미래도전 국방기술사업 등의 지원으로 이뤄졌다.
