국내 연구진, 스위스 로잔공대와 차세대 태양전지 효율·안정성 향상 기술 개발

페로브스카이트 결함제어 신기술 개발… ‘6H 페로브스카이트 결정다형체’ 도입

[인더스트리뉴스 이건오 기자] 국내 연구진이 스위스 로잔공대 연구진과 함께 태양광 셀 효율과 안정성을 높인 페로브스카이트 결함제어 신기술을 개발했다.

3C6H 이종결정다형체와 이를 적용한 페로브스카이트 태양전지. a) 3C-, 2H-, 6H 페로브스카이트 결정다형체의 결정구조, b) 개발된 3C/6H 이종결정다형체의 구조, c) 6H 결정다형체 도입에 의해 안정화되는 3C 결정다형체를 보여주는 분자동역학 시뮬레이션, d) 3C/6H 이종결정다형과 표면 패시베이션이 적용된 페로브스카이트 태양전지 모듈의 성능 및 사진, e) 3C/6H 이종결정다형과 표면 패시베이션이 적용된 저온 공정 페로브스카이트 태양전지 모듈의 성능 및 사진 [자료=GIST]

광주과학기술원(GIST)은 신소재공학부 김호범 교수팀과 스위스 로잔연방공대(EPFL), 한국화학연구원(KRICT) 공동연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 획기적으로 향상 시킬 수 있는 결함제어 기술을 개발했다고 밝혔다.

‘6H 페로브스카이트 결정다형체’를 활용해 페로브스카이트 소재 균일도 및 결정성 보존 측면에서 기존 페로브스카이트 결함제어 기술이 갖는 한계를 극복하고 페로브스카이트 결함제어 연구의 새로운 패러다임을 열 것으로 기대된다.

페로브스카이트 태양전지는 금속 할라이드 페로브스카이트 소재를 태양광 흡수를 위한 광활성층으로 사용하는 태양전지로, 최근 실리콘 태양전지와 동등한 수준의 효율이 보고됐다. 낮은 제작 단가, 용이한 생산 공정, 유연화 가능 등의 장점이 있어 실리콘 태양전지를 이을 차세대 태양전지로 크게 주목받고 있다.

우수한 광전자적 특성을 바탕으로 페로브스카이트는 차세대 태양전지의 흡광소재로 각광받고 있지만, 결정 결함은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 저해하는 요소로 알려져 있다.

이에 상용화를 위한 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지를 구현하기 위해서는 결함제어가 필수적이며, 현재까지는 주로 외부 화학종 및 저차원 페로브스카이트를 도입하는 방법을 택해 왔다.

그러나 이종 분자 도입을 통한 결함제어 방식은 페로브스카이트의 소재 균일도와 결정성을 낮춘다는 한계가 있으며, 이러한 한계를 극복하기 위한 새로운 결함제어 기술 개발이 요구되고 있는 실정이다.

사진 왼쪽부터 GIST 김호범 교수, 스위스 로잔연방공대 Nazeeruddin 교수, Paul Dyson 교수, 한국화학연구원 전남중 책임연구원, 유소민 박사 [사진=GIST]

GIST 신소재공학부 김호범 교수팀은 스위스 로잔연방공대 Nazeeruddin 교수팀, Dyson 교수팀, 한국화학연구원 전남중 책임연구원팀과의 공동연구를 통해 ‘꼭짓점 공유 성분을 포함하는 6H 페로브스카이트 결정다형체’를 활용한 페로브스카이트 결함제어 신기술을 개발했으며, 이를 적용한 고효율 고안정성 페로브스카이트 태양전지 소자 및 모듈을 구현했다.

페로브스카이트 태양전지에 주로 사용되는 페로브스카이트 소재인 FAPbI3는 다양한 결정다형체가 존재하며, 대표적으로 우수한 광전자적 특성을 나타내는 3C(100% 꼭짓점(Corner-sharing) 공유로 구성)와 열등한 광전자적 특성을 갖는 2H(100% 면 공유(Face-sharing)로 구성)가 있다.

6H 결정다형체는 66%의 꼭짓점 공유 성분을 포함하기 때문에 광활성층용 3C 결정다형체와 높은 격자 상관성(Lattice Coherency)을 가진다. 이에 6H 결정다형은 3C 결정다형의 효과적인 결함제어 요소로 사용 가능하며, 3C 결정다형과 완전히 동일한 화학 조성을 가지므로 페로브스카이트의 소재 균일도와 결정성을 유지할 수 있다.

연구팀은 XRD(X-선 회절분석기) 분석과 분자동역학 시뮬레이션 등을 통해 3C와 6H 두 상(Phase)간 꼭짓점 공유 위치에 할라이드의 상관적 개입(Coherent Intervention)이 가능하다는 것을 제시했으며, 이를 통한 3C/6H 이종결정다형체(Hetero-Polytype)의 형성을 확인했다.

이 같은 3C/6H 이종결정다형 페로브스카이트는 6H의 결함제어 효과를 바탕으로 3C 페로브스카이트에 비해 훨씬 우수한 광전자적 특성을 나타낸다는 것이 확인됐다.

3C/6H 이종결정다형 페로브스카이트와 표면 패시베이션(보호막 씌우기)을 적용해 21.92%의 모듈 효율(면적: 28.62cm²), 21.74%의 저온 공정 모듈 효율(면적: 24.5cm²)을 달성했다. 이는 비슷한 면적의 페로브스카이트 모듈 중 세계 최고 수준이며, 미국 태양전지효율 공인기관인 Newport로부터 공식 인증(인증효율: 21.44%)을 받았다.

김호범 교수는 “이번 연구 성과는 기존 페로브스카이트 결함제어 기술과 달리 소재 균일도와 결정성을 유지하면서도 효과적인 페로브스카이트 결함제어가 가능하다”며, “향후 페로브스카이트 결함제어 연구의 새로운 장을 여는 한편, 페로브스카이트 발광다이오드, 광검출기 등 다양한 페로브스카이트 광전자소자로의 응용 또한 기대된다”고 말했다.

GIST 김호범 교수팀이 수행한 이번 연구는 한국연구재단(NRF), 국가과학기술연구회(NST), 한국화학연구원, 스위스국립과학재단(SNSF), 유럽연합 Horizon 2020 연구 및 혁신 프로그램의 지원을 받아 수행됐다. 국제학술지 ‘Nature Communications’에 2024년 7월 4일 온라인 게재된 연구 결과는 최근 출판된 해당 분야 최고의 논문 50편을 가려내는 편집자 하이라이트(Editors’ Highlights)에 선정됐다.

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