페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지로 각광을 받고 있지만, 장시간 사용할 때 안정성 저하로 수명과 효율이 현저하게 단축된다. 특히 EU의 ‘전기전자제품 내 유해물질 사용제한 지침(RoHS)’에 규제항목으로 포함돼 있는 납(pb)을 함유하고 있어 친환경적이지 못하다.

전북대학교 석좌교수인 한윤봉 교수팀(화학공학부)이 이러한 문제점들을 획기적으로 개선한 친환경 태양전지를 개발해 세계 학계가 주목하고 있다. 한 교수팀은 주석(Sn)-그래핀계 복합소재를 이용해 유해물질인 납을 포함하지 않는 친환경 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 6일 밝혔다. 이번 연구 결과는 세계적 학술지인 『Advanced Energy Materials』(Impact Factor=29.698) 온라인판 최신호(2022.10.03.)에 게재됐다.

한 교수팀은 그동안 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 해결하기 위해 화학적, 광학적, 열적 안정성이 우수한 기능성 복합소재들을 만들고, 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용함으로써 태양전지의 효율과 장기간 안정성을 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발하여 에너지 분야의 세계적 학술지들에 보고한 바 있다.

특히, 납을 포함하지 않는 무연(無鉛) 페로브스카이트 태양전지 개발의 중요한 이슈는 납을 대체할 수 있는 물질 개발인데, 주석(Sn)을 함유한 페로브스카이트가 가능성이 큰 물질로 주목받고 있다. 그러나 주석-페로브스카이트의 문제점은 결정성장 속도가 빠르고, 공기 중에서 주석 성분의 산화가 빠르게 일어나 태양전지 효율이 현저하게 감소하는 문제점을 갖고 있다.

이 문제 해결을 위해 한 교수팀은 질소(N)가 도핑된 그래핀계 소재를 개발하고, 이를 주석-페로브스카이트 태양전지의 활성층과 정공(hole) 수송층, 그리고 활성층/정공수송층 계면층에 세계 최초로 적용하여 각 층에서 기능성 복합소재가 형성되도록 했다. 

이를 통해 기존의 주석-페로브스카이트 태양전지에 비해 결정이 크고 치밀한 활성층이 형성됨으로써 광흡수율, 광전압 및 광전류 밀도가 크게 향상됐고, 태양전지 효율이 60일 이상 지나도 91% 이상 유지됨을 확인했다.

연구진은 “이번 연구결과는 무연 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 위한 중요한 진보를 이뤘다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구에는 한 교수의 지도를 받아 전북대 화학공학부에서 박사학위를 취득한 타미네 마흐모디 박사와 하미드 코한(석사), 임연호 교수(화학공학부), 노원엽 교수(국제이공학부)가 참여했다. 한국연구재단의 중견연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

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