포스텍-한국화학연구원-충남대 공동연구팀이 새로운 태양 전지를 개발했다. 기후 위기와 재생에너지 개발이 화두로 떠오르는 오늘날, 차세대 태양 전지로서의 입지를 굳히고 널리 활용될 것으로 보인다.

포스텍의 박태호 교수(화학공학과)와 김도현·최현태·정우택 통합과정생(기계공학과), 전남중 한국화학연구원 박사, 송슬기 충남대 교수(응용화학공학과) 공동연구팀은 페로브스카이트 필름 처리에 쓰일 새로운 첨가제를 개발해 에너지 전환 효율이 높으면서도 안정적인 페로브스카이트 태양 전지를 제작하는 데 성공했다고 전했다.

페로브스카이트 태양 전지(Perovskite Solar Cell, 이하 PSC)는 페로브스카이트 광물을 활용해 태양에너지를 활용하는 전지다. PSC는 가공이 쉽고, 공정비용이 저렴해 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 수분에 취약하고, 페로브스카이트 표면에 있는 결함이 전력 변환 효율을 떨어트린다는 약점이 있다. 

PSC의 약점을 극복하기 위해서는 페로브스카이트 필름 표면에 생기는 결함을 없애야 한다. 지금은 첨가제를 용매에 녹여 페로브스카이트 필름 표면에 뿌리는 방식으로 처리하는데, 용매가 쉽게 증발해 첨가제가 고체가 되기 때문에 표면의 결함을 제대로 제거할 수 없었다. 

연구팀은 ‘알킬암모늄 포르메이트(Alkylammonium formates, 이하 AAFos)’라는 첨가제를 새롭게 합성해 표면 처리 과정에 사용했다. AAFos는 내부의 양이온과 음이온 사이 결합이 약해 상대적으로 낮은 온도에서 액체로 존재할 수 있는데, 연구팀은 AAFos의 ‘고체-액체 상변화’에 주목했다. AAFos는 용매 사용 여부와 상관없이 짧은 열처리 과정을 통해 고체에서 액체로 변화해 필름 표면의 결함을 제거하고, 이후 상온에서 다시 고체로 변한다.

AAFos의 음이온은 또한 페로브스카이트 표면에 있는 할로겐 결함과의 친화력이 높아 결함을 효과적으로 처리할 수 있고, 양이온의 긴 알킬 사슬은 페로브스카이트 내부로의 수분 침투를 막아 수분 안정성을 높일 수 있다. 

연구팀은 AAFos가 PSC의 전력 변환 효율을 상승시킨다는 것도 실험을 통해 확인했다. AAFos를 사용한 PSC는 단일면적에서 약 25퍼센트의 높은 전력 변환 효율을 보였으며, 동일 소자에서 세계 최고 수준인 80.77퍼센트를 달성했다. 면적이 넓은 PSC 모듈(23.75제곱센티미터)에서도 20.82퍼센트의 효율을 기록했는데, 면적이 클수록 효율과 충진율이 낮아지는 기존 태양 전지의 한계를 상당 부분 극복한 것이다.

이번 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐으며 에너지, 환경 분야의 영향력 높은 학술지인 『에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)』에 게재됐다.

조준태 기자 aim@kyosu.net

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