[지금은 과학] 물에 약한 페로브스카이트 태양전지 해결책 나왔다

[아이뉴스24 최상국 기자] 페로브스카이트 태양전지 상용화에 핵심적인 걸림돌 중 하나인 수분취약성에 대한 새로운 해결책이 제시됐다.

페로브스카이트 태양전지 분야의 세계적인 선도연구자인 박남규 성균관대 화학공학과 석좌교수 연구팀은 같은 과 권석준 교수, 마이클 그랏첼 스위스 로잔연방공대 교수와 함께 수분안정성을 획기적으로 향상시킨 페로브스카이트 필름을 제작하는 데 성공하고 연구결과를 13일 사이언스紙(Science)에 발표했다.

공동연구팀은 페로브스카이트의 수분안정성이 크리스탈 패싯(결정노출면)에 따라 다르다는 점을 발견하고, 수분에 가장 안정적인 (111) 패싯을 위주로 하는 필름 제작에 성공했다. 이를 바탕으로 2천 시간동안 수분에 노출해도 95% 이상 초기효율이 유지되는 안정한 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트(ABX3 형태의 화학식을 갖는 결정)를 광흡수 소재로 사용하는 태양전지다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발, ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척했다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정하기도 했다.

태양전지용 페로브스카이트 광흡수층은 간단한 용액공정을 이용해 150도씨 이하의 비교적 낮은 온도에서 제작할 수 있다. 일반적으로 알려진 용액공정을 이용하면 형성된 필름에서 페로브스카이트 결정은 다결정 특성을 갖고 결정 패싯도 잘 발달해 있지 않다. 박남규 교수팀은 첨가제 공법을 이용해 (100)과 (111) 결정 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름을 제작하는 데 성공해, 패싯에 따른 광전류 의존성을 밝힌 바 있다(2022년 11월 16일, Joule). 이번 연구에서는 패싯이 잘 발달된 페로브스카이트 필름이 수분에 노출될 경우 수분 안정성이 패싯에 따라 달라진다는 것을 처음으로 발견했다. 특히 (100) 패싯은 수분에 매우 취약하지만 (111) 패싯은 수분에 안정적이라는 점을 발견해 냈다.

(111) 패싯이 (100) 패싯 보다 수분 안정성이 우수한 이유는 물의 젖음에너지가 (111) 패싯에서 상대적으로 낮기 때문이라는 사실을 이론계산을 통해 밝혔다. 또한 수분에 취약한 (100) 패싯에서는 물과 강한 결합이 생겨 광흡수 특성을 잃게 된다는 사실을 알아냈다.

더 나아가 연구팀은 사이클로헥실아민 이라는 첨가제를 이용해 (111) 패싯이 98%를 차지하는 페로브스카이트 필름 제작에 성공했다. 30-40% 상대습도 환경에서 약 2천시간 수분 안정성을 테스트한 결과, (111) 패싯 위주의 페로브스카이트 필름으로 만든 태양전지는 초기효율의 95% 이상을 유지했다.

연구팀은 이번 연구결과가 페로브스카이트 태양전지의 수명을 획기적으로 개선해 상용화에 이바지할 것으로 예상했다.

※ 논문명 : Unveiling facet-dependent degradation and facet engineering for stable perovskite solar cells. Science. 2023.1.13.(제1저자, 마춘칭 박사)