순수 페로브스카이트 구조 리셋 현상 발견…효율·안정성 확보

고려대, 서로 닿기만해도 새로운 계면 상호작용…광전변환효율 26.25% 세계 최고 육박

순수 페로브스카이트 태양전지서 구조 리셋 현상이 처음 발견됐다. 리셋으로 효율도 세계 최고에 육박하는데다 열화 수명도 1,000일 정도는 거뜬 할 것으로 예측됐다.

고려대학교는 노준홍 건축사회환경공학부 교수 연구팀이 KAIST 및 서울대 연구팀과 함께 페로브스카이트 내부 구조를 바꾸는 새로운 양이온 상호작용을 발견했다고 6일 밝혔다.

'접촉 유도 양이온 상호작용(CCI)’ 개념도와 가역적 활성화·비활성화 거동 그림.왼편 페로브스카이트 비접촉 상태와 오른쪽 접촉시상호 반응을 나타냈다.(그림=고려대학교)

노준홍 교수는 전화통화에서 "단일 접합 페로브스카이트 기준 광전환효율이 26.25%로 세계 최고인 27%에 육박한다"며 "무엇보다 페로브스카이트가 단순한 접촉만으로도 새로운 계면 상호작용을 유도, 구조 재편까지 이끌 수 있음을 밝혀냈다. 이를 활용해 효율과 안정성을 확보했다는데 큰 의미가 있다"고 설명했다.

페로브스카이트는 광흡수 계수가 높고 전하 이동 능력이 뛰어나 차세대 고효율 태양전지 핵심 소재로 주목받고 있다. 그러나  습기나 열에 민감, 안정적인 성능 확보를 위해 첨가제를 넣거나 표면 화학약품 처리가 불가피했다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 페로브스카이트 2차원 박막과 3차원 박막을 각각 따로 만든 뒤, 단순히 맞닿게 하는 실험을 설계했다. 그 결과 영구적인 화학반응이나 접합 형성 없이 두 층이 맞닿기만 해도 새로운 양이온 상호작용이 나타났다. 서로 떨어지면 다시 원래 상태로 돌아가는 가역적 변화가 나타났다.

노준홍 교수는 "연구팀이 발견한 ‘접촉 유도 양이온 상호작용’은 표면에서 시작된 계면 상호작용이 물질 내부 구조까지 바꿀 수 있음을 입증한 것"이라며 "상호작용이 강할수록 분자 움직임은 더 제한됐고, 구조도 안정적으로 유지됐다"고 부연 설명했다.

연구팀은 상호작용 상태에서 추가 열처리를 하면 3차원 페로브스카이트 이온 분포가 더 균일해지고, 결정 배열도 더 정돈된다는 사실도 확인했다.

순수 페로브스카이트 태양전지 구조변화를 발견한 연구진. 왼쪽부터 노준홍 고려대 건축사회환경공학부 교수(교신저자), 이승민 KAIST 연구원, 장연우 서울대 선임연구원(이상 공동제1저자)(사진=고려대학교)

연구팀은 구조가 정제된 페로브스카이트를 태양전지에 적용해 성능과 안정성을 따져본 결과 광전변환효율은 최고 26.25%를 기록했다. 2,000시간 구동 후에도 초기 효율의 95.2%를 유지했다. 가속 열화 시험을 바탕으로 추정한 예상 작동 수명은 약 2만 4,800시간(1,033일)으로 나타났다.

노준홍 교수는 “페로브스카이트뿐 아니라 다양한 차세대 결정성 재료 계면 설계에도 새로운 단서를 제공할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

연구성과는 에너지 분야 과학 저널인 ‘네이처 에너지(IF=60.1)’에 온라인으로 게재됐다.