박남규 성균관대 교수팀, 페로브스카이트 태양전지 고효율 원인 규명

차세대 고효율 박막 태양전지 개발 가능성 열어

박남규 교수.

아주경제 이한선 기자= 미래창조과학부는 박남규 성균관대학교 교수 연구팀과 스페인 비스커트 하우메 I 대학 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 차세대 유망 태양전지 기술로 인정받은 페로브스카이트 광흡수 물질을 염료로 사용한 연료감응 태양전지의 고효율 원인을 규명했다고 7일 밝혔다.

페로브스카이트는 ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론, 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질이다.

이번 연구는 미래부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어 연구개발사업의 멀티스케일 에너지 시스템 연구단 지원을 받아 연구를 수행했다.

연구 결과는 네이처 커뮤니케이션 온라인에 지난달 31일자로 게재됐다.

연구팀은 지난해 이산화티타늄 나노입자에 CH3NH3PbI3 화학식의 페로브스카이트라는 유무기복합 반도체 광흡수 물질을 흡착해 9% 이상의 고효율 박막 태양전지를 세계 최초로 개발했다고 발표했었다.

이후 페로브스카이트 물질을 염료로 사용한 태양전지가 기존 태양전지 기술의 패러다임을 바꾼 차세대 유망 태양전지 기술로 인정받았지만 페로브스카이트를 사용할 경우 왜 기존 유기염료를 이용할 때보다 고효율이 가능한지를 규명하는 과제가 남아 있었다.

연구팀은 염료감응 태양전지에서 사용되는 염료는 빛을 흡수하면 전자와 홀을 발생하고 전자와 홀은 n-형 이산화티타늄과 p-형 홀전도체로 분리되는데 페로브스카이트를 염료로 사용할 경우 n-형, p-형으로 전하분리도 되지만 광흡수 물질이 광전하를 축적할 수 있다는 사실을 임피던스를 이용해 규명하고 유기염료에서는 가능하지 않은 새로운 현상임을 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지가 자체적으로 전하를 축적하는 기능이 있어 전하 분리과정에서 발생되는 손실을 방지할 수 있고 이산화티타늄 외 페로브스카이트보다 에너지준위가 높은 지르코티아, 알루미나, n-형 특성이 전혀 없는 플라스틱이나 종이 등을 사용해도 태양전지를 구동할 수 있다.

이는 페로브스카이트를 이용한 태양전지를 제작할 경우 기존의 방식과는 다르게 설계해야 한다는 주요한 단서를 제공한다.

이번 연구결과는 페로브스카이트 광흡수 물질의 비밀을 밝혀 고효율 태양전지 개발의 단초를 제공하였다는데 의의가 있고 페로브스카이트 물질의 독특한 성질을 이용할 경우, 향후 20% 이상 값싼 고효율 태양전지가 실현될 것으로 전망된다.