성균관대-MIT, 고효율 페로브스카이트 원리 규명
페로브스카이트 표면제어-효율 상관관계 밝혀 

국내 연구진이 미국 매사추세츠공대(MIT) 연구팀과 함께 고효율 페로브스카이트 태양전지의 원리를 세계 최초로 밝혀냈다. 새로 알아낸 원리를 활용하면 페로브스카이트 상용화가 더 빨라질 것으로 기대된다.

신성식 성균관대 성균나노과학기술원 교수 연구팀은 문지 바웬디(Moungi Bawendi) MIT 화학과 교수 연구팀과 함께 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이는 원리를 규명했다고 26일 밝혔다. 바웬디 교수는 지난해 노벨화학상을 받은 세계적인 석학이다.

페로브스카이트 태양전지는 유기물과 무기물이 섞여 있는 금속 산화물이다. 반도체와 부도체, 도체의 성질을 모두 가지는 물질을 발견한 러시아 광물학자 레프 페로브스키의 이름을 땄다. 실리콘 전지보다 간단하고 저렴한 화학반응으로 만들 수 있는 장점이 있다. 딱딱하고 무거운 실리콘 전지와 달리 페로브스카이트는 용액 상태여서 플라스틱 필름에 바르면 휘어지는 전지가 된다.

연구팀은 2016년부터 바웬디 교수팀과 고효율 페로브스카이트 태양전지의 핵심 기술을 개발해왔다. 특히 페로브스카이트 박막 표면제어 기술과 산화물 전자수송 소재 기술을 개발해 세계 최초로 25% 이상의 광 변환 효율을 달성했다. 한미 공동연구팀이 발표한 논문들은 1년에 평균 500회 이상 인용되는 기술들로, 미국 국립재생에너지연구소(NREL)로부터 효율과 안정성을 인정받았다.

최근에는 블라디미르 불로비치(Vladimir Bulovic) MIT 전기공학과 교수가 합류하면서 고효율 페로브스카이트 태양전지의 원리를 밝히는 데 성공했다. 그동안 페로브스카이트의 높은 효율에 대해 정확한 원리는 알 수 없었다.

연구팀은 2019년 발표한 페로브스카이트 표면제어 기술이 결함을 없애는 것뿐 아니라 할라이드 교환 반응과 표면 전기장 변화를 유발한다는 사실을 발견했다. 특히 표면제어 기술에서 나타나는 전기장은 태양전지의 효율을 좌우하는 전하추출효율을 높였다. 또 전자들이 제자리로 돌아가 전기 생산을 못 하는 상태가 되지 않도록 재결합을 늦추는 역할도 한다.

연구팀이 밝힌 원리로 페로브스카이트 태양전지를 측정한 결과, 박막 자체의 표면 재결합 속도는 1초당 7㎝로 낮아졌고, 전하 수명은 30㎲(마이크로초, 1㎲는 100만분의 1초)로 향상됐다. 새로 밝힌 원리는 페로브스카이트 기반 광전소자의 효율을 높일 수 있을 교두보가 될 것이라는 게 연구팀의 설명이다.

신성식 교수는 “연구를 통해 밝힌 페로브스카이트 표면에서 전기장이 형성되는 메커니즘은 기존 갈륨비소나 CIGS(구리·인듐·갈륨·셀레늄) 태양전지와는 다르다”며 “페로브스카이트 박막 표면의 전기장과 밴드갭을 최적화해 태양전지와 페로브스카이트 발광다이오드(LED) 효율을 높일 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단의 지원을 받았다. 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘네이처 에너지(Nature Energy)’에 지난달 28일 게재됐다.