재생가능에너지에 관한 관심이 높아지면서, 차세대 태양전지로 쓰일 물질과 새로운 소재 개발에 대한 연구가 활발하다. 최근 수년간 납(Pb)을 이용한 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질이 우수한 광물리적, 전자수송특성을 가지는 것이 알려지면서 차세대 태양전지 소재 물질로 각광받고 있다.
그러나 유무기 하이브리드 페로브스카이트는 안정성이 낮고 납을 이용했기 때문에 독성을 가지는 문제가 있다. 납을 포함하지 않아 친환경적이면서, 순수 무기물로만 구성되어 안정성이 높고, 효율이 높은 광전자 소자에 대한 연구가 지속적으로 요구되었고, 활발하게 진행되고 있다.
KAIST(총장 신성철) 화학과 김형준 교수와 전기및전자공학부 장민석 교수 공동 연구팀이 납 없이도 고효율의 태양에너지 전환율을 갖는 친환경 무기물 페로브스카이트 소재를 이론적으로 제시한 것이다.
페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells)는 차세대 고효율 태양전지의 강력한 후보로 꼽힌다. 고성능 결정질 실리콘 태양전지에 버금가는 22% 이상의 전환효율을 보이면서 낮은 온도에서 패널 생산이 가능해 제작비용을 혁신적으로 낮출 수 있으나, 기존의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질은 안정성이 낮아 오래 구동하면 재료 성능이 떨어지고 물질 구성에 납을 포함해 독성을 갖는 한계가 있다.
기존 유무기 하이브리드 페로브스카이트 소재의 한계였던 독성과 불안정성을 동시에 극복할 수 있는 기반 연구가 될 것으로 기대되며, 문제 해결을 위해 연구팀은 무기물질로만 구성된 페로브스카이트 소재들의 광학적, 전기적 특성을 이론적으로 파악해 기존 페로브스카이트 물질의 한계를 극복할 수 있는 친환경 고안정성 페로브스카이트(화학식 : Cs2Au2I6) 신소재를 제안했다.
연구팀은 물질의 전자구조와 광학적 특성을 예측하는 제일원리 계산과 소자의 광흡수율 및 에너지 변환 효율을 예측하는 광학 시뮬레이션을 결합해 소재와 소자를 연계하는 멀티스케일 해석 기법을 정립했으며, 페로브스카이트 신소재는 납을 포함하지 않아 친환경적이며 무기물질로만 구성돼 높은 안정성을 가질 것으로 보인다.
또한 기존 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질에 비해 더 넓은 스펙트럼의 태양광을 효과적으로 흡수할 수 있어 수십 나노미터의 얇은 박막으로도 고효율 태양전지 구현이 가능할 것으로 보여지며, 연구팀은 페로브스카이트 신소재를 실제 태양전지에 적용하는 실험적 연구와 고효율, 친환경, 고안정성을 갖춘 최적의 태양전지 신소재를 찾기 위한 이론 연구를 병행할 예정이다.
아울러 연구팀은 “페로브스카이트 태양전지는 높은 효율을 갖지만 기존의 태양전지를 대체하기 위해서는 독성과 불안정성의 문제를 해결해야 한다.”며 “이번 연구 결과로 친환경 고안정성을 가지는 다양한 조성의 페로브스카이트 소재를 탐색하려는 시도가 더욱 활발해질 것으로 예상된다.”고 말했다.
한편 람제드 드비치(Lamjed Debbichi) 박사후 연구원과 이송주 석사과정이 공동 1저자로 참여한 이번 연구는 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’ 3월 22일자 표지논문으로 선정됐다.(논문명 Perovskite Solar Cells: Mixed Valence Perovskite Cs2Au2I6: A Potential Material for Thin‐Film Pb‐Free Photovoltaic Cells with Ultrahigh Efficiency)
