한국화학연구원 송창은 박사팀은 고려대 임상혁 교수, 성균관대 정재기 교수, 케냐 나이로비대 연구팀과 공동으로 납 없는 주석 기반 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안전성을 높이는 기술을 논문에 발표했다고 1일 밝혔다.
페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 갖는 산화물이다. 페로브스카이트를 광활성 층으로 사용하는 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 효율이 높고 저렴하게 대량생산 할 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.
납 기반 페로브스카이트가 주로 쓰이지만, 납 중독으로 인한 안전성 우려가 있어 친환경적인 주석 페로브스카이트가 대안으로 제시된다.
다만 주석은 효율이 낮다는 한계가 있다. 주석 이온이 공기 중 산소와 만나 쉽게 산화되면서 결함으로 이어져 안전성을 낮추고 광변환 효율을 떨어뜨리게 된다.
연구팀은 2건의 논문을 통해 주석 페로브스카이트에 중간층을 도입하거나 첨가제를 넣어 효율과 안전성을 높일 수 있는 방안을 제시했다.
올해 2월 국제 학술지 'ACS 에너지 레터스'(ACS Energy Letters)에 실린 논문에서는 태양전지 전극과 전자 수송 층 사이에 중간층으로 '페릴렌 디이미드' 소재를 추가, 에너지 격차 장벽을 줄여 전자 이동이 원활해지도록 돕는 기술을 제안했다.
지난 10월 '에코맷'(EcoMat)에 게재된 논문에서는 페로브스카이트 필름층에 주석의 산화를 막을 수 있는 '어븀 염화물'을 첨가, 결함을 줄이고 전자 이동을 돕도록 했다.
기술 평가 결과 2월 논문에서는 13.05%의 광변환 효율과 1천시간 후 초기 성능의 80% 유지를 달성했다. 10월 논문에서는 효율을 14.0%로 높이고, 1천300시간 후에도 초기 성능의 80% 상태를 유지하는 데 성공했다.
송창은 박사는 "성능 개선과 습기·자외선에 대한 안전성 검증 등에 대한 추가 연구를 통해 실용화를 추진할 계획"이라며 "주석 기반 차세대 페로브스카이트 태양전지 기술 개발의 전환점이 될 것"이라고 기대했다.