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[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국기초과학지원연구원(KBSI)은 전주센터 정희석 박사팀이 전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 나석인 교수팀과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 성능 저하 원인을 규명했다고 13일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 대비 높은 전력변환효율을 달성하는 등 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있다.
전력변환효율은 빛에너지, 열에너지 등의 다른 형태의 에너지를 변환시켜 얻을 수 있는 전기에너지의 비율로 현재 실리콘 태양전지는 평균 17%이고 페로브스카이트 태양전지는 25% 수준이다.
페로브스카이트 태양전지의 경우 국내에서 활발하게 연구되고 있으며 한국화학연구원(KRICT)은 ‘2018년 세계적 혁신기술’로 서장원 박사팀의 ‘세계선도형 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지 기술’을 선정한 사례가 있다.
또 지난 2012년 성균관대학교 박남규 교수팀은 광전효율을 3%에서 9%로 올리면서 주목을 받았고 클래리베이트 애널리틱스(Clarivate Analytics)가 선정한 2017년 피인용 우수연구자(Citation Laureates)에 선정됐다.
현재 성균관대 연구팀은 국방과학연구소가 진행하는 미래도전기술사업에도 참여하고 있다.
그러나 페로브스카이트 태양전지는 열에 취약하다는 단점으로 실제 상용화에는 극복하기 어려운 한계점이 제기되어 왔다.
이로 인해 열에 의한 소자 성능과 수명 저하 원인을 정확히 파악하기 위해서는 나노수준에서의 실시간 시각화 연구가 반드시 해결되어야할 난제로 여겨졌다.
특히 고품질의 페로브스카이트 박막 제조에는 가열공정이 필수적이며 태양전지 소자로 활용할 경우 고온 환경에 노출될 수밖에 없기 때문이다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 페로브스카이트 태양전지의 온도상승에 따른 구조변화를 실시간으로 관찰했다.
이를 통해 차세대 에너지소자로 주목받는 페로브스카이트 태양전지에 대한 기초 물성 연구는 물론 보다 내구도가 높은 페로브스카이트 태양전지를 설계하고 제조하는데 중요한 실마리를 제공했다.
연구과정을 보면 페로브스카이트 태양전지의 온도 상승에 따른 열분해 등 화학적 구조변화를 관찰하기 위해 최고 0.1nm(나노미터)수준에서 원자의 배열까지 관찰할 수 있는 STEM용 수차보정 투과전자현미경을 이용했다.
이후 이 장비를 통해 페로브스카이트 태양전지 온도 상승에 따라 내부에 공극이 만들어지거나 원소가 이동하는 등 소자의 성능 저하 원인을 실시간으로 분석했다.
전북대 나석인 교수는 “실시간 수차보정 투과전자현미경을 통해 페로브스카이트의 열분해 메커니즘을 규명함에 따라 향후 보다 내구도가 높은 페로브스카이트 태양전지를 설계하고 제조하는데 중요한 실마리를 제공한 것”이라고 말했다.
제1저자인 서유현 박사과정연구원 등 전북대 나석인 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 합성하고 소자 특성에 대한 연구를 수행했으며 KBSI 정희석 박사 연구팀은 STEM용 수차보정 투과전자현미경을 이용한 실시간 구조·화학 분석을 맡았다.
이 연구는 한국전력연구원(주력연구사업), 한국연구재단(기초연구사업), 한국산업기술진흥원(산업전문인력역량강화사업), 한국기초과학지원연구원(분석신뢰성향상사업)’ 등의 지원으로 수행됐고 세계적인 나노분야 학술지인 나노 에너지(Nano Energy)에 게재됐다.
