친환경 페로브스카이트 태양전지 기술 개발 납을 제거한 무기물 페로브스카이트 태양전지 최고 효율 달성 ACS Energy Letters 커버 논문으로 게재돼
왼쪽부터 임상혁 교수 (고려대, 교신저자), 허진혁 연구교수 (고려대, 제 1저자), 이형준 석박통합과정 (고려대, 공동저자)
페로브스카이트의 독성과 안정성 문제를 해결할 가능성 높은 기술이 개발되었다. 홍기하(한밭대학교) 임상혁 교수(고려대학교) 공동연구팀은 이론과 실험을 결합한 최적 조성 탐구를 통해 세계 최고 효율의 무기물 기반 비납계 페로브스카이트* 태양전지를 개발했다.
* 페로브스카이트 : AMX3 (A, M은 양이온, X는 음이온) 구조의 결정이다. 부도체, 반도체, 강유전체의 성질을 가지며, 최근 차세대 태양전지 및 LED 연구에 사용되고 있다. 논문제목: Compositional Design for High-Efficiency All-inorganic Tin halide perovskite solar cells 저자정보: 허진혁 연구교수 (고려대, 제1 저자), 이형준 (고려대, 공동 저자), 임상혁 (고려대, 교신저자), 홍기하 (한밭대, 교신저자) 최근 세계 에너지 연구의 중심에 선 페로브스카이트 태양전지. 이 태양전지의 급속한 성능개선에 관한 관심이 높아지고 있지만, 대부분의 연구는 독성성분인 납을 기반으로 이루어졌다. 환경적 부담을 줄이기 위해 납 대신 사용할 친환경 물질의 개발이 시급하게 요구되고 있다. 연구팀이 주목한 것은 주석기반 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지다. 또한 할로겐화물 페로브스카이트 태양전지에서 많이 사용되는 유기 양이온을 배제하고 세슘(Cs)을 사용할 수 있는 방법을 제시함으로써 해당 소재에서 약점으로 지적되는 안정성 문제를 근본적으로 해결할 수 있게 되었다. 한밭대팀은 이론적 분석을 통해 소재가 안정적이면서 고효율로 작동할 수 있는 조성영역을 탐색하였고, 고려대팀은 세심한 정제과정을 통해 이론적으로 제시된 조성에서 실제 고효율 태양전지의 제조가 가능함을 증명하였다. 특히 주목할 점은, 연구팀이 특별한 첨가제 없이도 11.87%라는 높은 효율을 달성한 무기 주석 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다는 것이다. 연구팀의 평가에 따르면, CsSnI2Br 조성이 이러한 태양전지 중 가장 유망한 조성으로 예측했다. 한 연구팀은 태양전지의 성능에 중요한 역할을 하는 밴드갭 조절법에 대한 깊이 있는 연구를 통해 밴드갭을 낮게 조절할 수 있는 원리를 발견하였고, 이를 통해 고효율 소재의 개발 방향을 제시했다. 연구진은 "이 연구는 친환경 고효율 태양전지 개발의 중요한 전환점"이라고 강조했으며, 앞으로도 이론과 실험을 결합한 연구를 통해 태양전지의 효율을 더욱 끌어올릴 계획이라고 전했다. 이 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 원천기술개발사업, 기초연구사업의 지원으로 수행되었다. 국제학술지 미국 화학회 에너지 레터즈 (ACS Energy Letters) 11월 7일에 온라인 게재되었다.
[그림 설명] 
<그림1> 효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있는 조성 탐색과정 (좌) 조성에 따른 결정구조 안정성 및 밴드갭 변화 (우) 밴드갭에 따라서 기대할 수 있는 이론적 최고 효율
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<그림2> (좌) I:Br 비율에 따른 성능저하 측정 및 (우) 소재 정제 전후의 효율 비교
<그림3> 국제학술지 ACS Energy Letters 보조표지 (Supplementary Cover) 그림 * 관련 뉴스: https://www.yna.co.kr/view/AKR20231204097100063
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