국내 연구진이 유기금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지 열역학 특성을 규명해 고내구성·고수명 유기 태양전지 개발 가능성을 제시했다.
광주과학기술원(GIST·총장 김기선)은 김봉중 신소재공학부 교수팀이 실시간 투과전자현미경과 단결정 메틸암모늄 납 할라이드 페로브스카이트 나노로드를 이용해 산소와 습기가 제거된 고진공에서 페로브스카이트 열적 분해 과정을 정량화하는 데 성공했으며 고온에서 분해된 요오드화납이 저온에서 완전히 회복되는 사실을 확인했다고 13일 밝혔다.
페로브스카이트는 최근 21%를 상회하는 태양전지 전력변환효율로 각광을 받고 있다. 특히 단결정 페로브스카이트 구조는 적색파장대로 변이되는 흡수, 더욱 빠른 전하이동, 높은 안정성 등으로 인해 태양전지뿐만 아니라 엑스선 검출기, 감마선 검출기, 가시광선 검출기 등에 광범위하게 활용되고 있다.
높은 광전환 효율을 갖는 태양전지를 만들기 위해서는 높은 품질의 결정성과 모폴로지(물질 형태나 모양)가 필요하다. 이를 위해 반 용매 공법으로 준안정상태인 중간상을 만든 뒤 이를 가열해 결정질 페로브스카이트를 생산한다. 하지만 이러한 상변화를 위해 가하는 온도가 너무 높거나 태양전지 작동 시 증가하는 온도는 페로브스카이트를 분해해 요오드화납을 석출시키고 전지 작동이 멈춘 뒤에도 전지효율을 급속히 떨어뜨린다.
김 교수팀은 반 용매 공법으로 단결정 중간상 나노로드를 합성해 이를 산소와 습기가 제거된 고진공 환경에서 가열해 중간상과 페로브스카이트, 석출된 요오드화납의 결정구조와 결정의 상호 방향관계를 규명했다. 이어 섭씨 155℃까지 온도 사이클에 따른 요오드화납 입자 부피를 측정해 페로브스카이트가 요오드화납으로 분해되기 위한 엔탈피(물질 속에 축적된 에너지 함량)를 구했다. 요오드화납이 석출되는 동안 메틸암모늄 납 할라이드 분자가 증발하지 않고 페로브스카이트내에 과농축 된다는 사실을 발견해 새로운 형태의 열역학 상태도를 만들었다.
그 결과 고온에서 석출된 요오드화납이 저온에서 단결정 페로브스카이트로 회복됐으며 이때 캐리어 모빌리티, 포획밀도, 유전상수도 회복되는 것으로 나타났다.
김봉중 교수는 “취약한 열적 안정성과 효율증가의 한계에 부딪혀 있는 페로브스카이트 태양전지 연구에 근본적 해결책을 제시했다”면서 “유기금속 할라이드 페로브스카이트 열역학적 특성을 정량적으로 규명한 최초 사례라 할 수 있다”고 말했다.
이번 연구성과는 재료화학 분야 국제저명학술지 에이씨에스 센트럴 사이언스에 온라인으로 게재됐다.
광주=김한식기자 hskim@etnews.com
