성균관대, 美 MIT 연구팀과 함께 고효율 페로브스카이트 태양전지 원리 규명

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[아이뉴스24 김동현 기자] 성균관대학교 성균나노과학기술원 신성식 교수팀이 2023년 노벨화학상 수상자인 문지 바웬디(Moungi Bawendi) 교수가 이끄는 MIT 연구팀과의 글로벌 협력 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지 고효율에 대한 원리를 규명했다고 26일 밝혔다.

신성식 교수팀은 지난 2016년부터 MIT 문지 바웬디 교수팀과 고효율 페로브스카이트 태양전지 관련 핵심기술을 개발해왔으며, 연구 결과를 네이처 등 다수의 학술지에 발표했고 핵심 특허도 확보해왔다.

왼쪽부터 데인 드퀼레츠(Dane W. deQuilettes) 박사(제1저자), 신성식 교수(교신저자), 문지 바웬디(Moungi Bawendi) 교수(교신저자), 블라디미르 불로비치(Vladimir Bulovic) 교수(교신저자). [사진=성균관대학교]

특히, 페로브스카이트 박막 표면제어 기술과 산화물 전자수송소재 기술을 개발해 세계 최초로 25% 이상의 광·전 변환 효율 시대를 열었으며, 미국 국립재생에너지 연구소(NREL)로부터 효율과 안정성을 인정받았다.

공동 발표 논문들이 1년에 평균 500회 이상 인용될 만큼 지금도 널리 사용되고 있는 기술이지만 고효율에 대한 정확한 원리 규명에는 난항을 겪고 있었다. 그러나 최근 MIT의 블라디미르 불로비치(Vladimir Bulovic) 교수팀이 협력하면서 고효율 페로브스카이트 태양전지 원리를 규명하는 데 성공했다.

연구진은 지난 2019년 공동으로 발표한 페로브스카이트 표면제어 기술이 단순히 결함을 제거할 뿐만 아니라 할라이드 교환 반응을 발생시키고, 페로브스카이트 소재 표면에서 내부까지 브롬의 농도구배와 표면 전기장 변화를 유발한다는 것을 최초로 발견했다.

특히 이러한 표면제어 기술에서 생기는 표면 전기장이 재결합을 크게 억제하고, 전하추출효율을 증가시켜 태양전지의 효율을 크게 향상시킨다는 사실을 밝혔다.

이러한 특성을 바탕으로 페로브스카이트 박막 자체의 표면 재결합 속도(SRV)를 7cm/s까지 낮출 수 있었고, 30μs 이상의 기록적인 전하 캐리어 수명을 확보해 향후 페로브스카이트 기반 광전소자의 효율을 향상시킬 수 있는 교두보가 될 것으로 기대하고 있다.

페로브스카이트 태양전지 단면 투과전자현미경 이미지(왼쪽)과 다양한 물질들의 캐리어 수명 비교(맨 오른쪽). [사진=성균관대학교]

신 교수는 “연구를 통해 규명한 페로브스카이트 표면에서 전기장이 형성되는 메커니즘은 기존 GaAs나 CIGS 태양전지와는 크게 다르며, 향후 페로브스카이트 박막 표면의 전기장과 밴드갭을 최적화하여 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라 페로브스카이트 LED의 효율도 크게 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다.

문지 바웬디 교수도 “한국의 탑-티어(Top-tier) 연구기관과의 지속적인 교류를 통해서 기존 기술을 더욱 발전시키겠다”라고 말했다.

이번 연구는 교육부와 한국연구재단이 주관하는 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)과 한국연구재단의 기초연구실지원사업의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구성과는 에너지 분야 저명한 국제학술지인 네이처 에너지(Nature Energy, IF: 56.7) 지에 최근 게재됐다.

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