경북대대학교는 이상욱 신소재공학교 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 성능이 시간이 지나면서 떨어지는 원인을 규명하고, 이를 개선하는 기술을 제시했다고 24일 밝혔다.
이번 연구는 이상욱 교수팀과 박지상 성균관대 교수팀, 윤요한 한국항공대 교수팀과의 공동 연구 성과로 페로브스카이트 태양전지의 구동 안정성을 저하시키는 메커니즘을 규명하고, 이를 해결한 핵심 기술로 평가된다.
페로브스카이트 태양전지는 얇고 유연한 구조와 저비용 공정으로 높은 효율 달성이 가능해 실리콘 태양전지를 대체할 기술로 주목받고 있다. 특히, 불화리튬(LiF)은 전자 이동을 돕고 결함을 제어해 태양전지의 효율을 높이는 필수 소재로 활용되고 있다. 그러나 LiF는 초기 효율 향상 효과와 달리 시간이 지나면서 소자의 구동 안정성을 급격히 저하시키는 문제가 있으며, 그 구체적인 원인은 명확히 밝혀지지 않았다.
연구팀은 실제 태양전지가 작동하는 조건에서 태양전지 소자 내부 소재의 물성 변화를 실시간 관찰하고 계산 과학 기반의 동역학 시뮬레이션을 결합해 LiF의 태양전지 내부 거동을 체계적으로 분석했다. 그 결과 불화리튬 내부의 불소(F) 이온이 페로브스카이트 내부로 침투한다는 사실을 확인했다. 또한 침투된 F 이온이 태양전지 구동 조건에서 소자 내부 이온 이동을 가속화해 소자의 안정성을 저하시키는 핵심 원인임을 밝혀냈다.
이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 큰 부피를 가진 리튬염(Li-TFSI)을 활용해 F 이온의 내부 침투를 선택적으로 억제하는 '선택적 이온 차단 기술'을 개발하는데 성공했다. 이 기술을 적용한 결과 LiF가 제공하는 높은 에너지 변환 효율은 그대로 유지하면서도 소자의 구동 안정성을 획기적으로 개선했다. 특히 탠덤 태양전지의 경우 성능이 초기 대비 80% 수준으로 떨어지는 시간이 기존 대비 55% 이상 늘어난 것을 확인했다.
이상욱 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 제한해 온 안정성 문제를 정량적으로 분석하고, 선택적 이온 제어를 통해 개선 방향을 명확히 제시한 사례이다. 향후 고효율·고내구성을 갖춘 탠덤 태양전지 등 차세대 에너지 소자 개발에 폭넓게 응용될 것으로 기대한다.”라고 밝혔다.
이번 연구의 교신저자는 이상욱 교수, 제1저자는 대학원 첨단소재공학부 김선우 석박사통합과정생이다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어 사업, 무탄소에너지핵심기술개발 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 최근 에너지 소재 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials) 온라인에 게재됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
