이정훈 KIST 계산과학연구센터 박사.[KIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 한국과학기술연구원(KIST) 계산과학연구센터 이정훈 박사팀이 UC버클리대학과 공동연구를 통해 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 성능저하 원인을 규명했다고 18일 밝혔다.

태양전지는 일반 생활에서 뿐만 아니라 대기권 및 우주, 사막, 그리고 바다와 같은 극한 환경에서도 많이 사용되고 있다. 최근 높은 효율과 저렴한 생산비용으로 인해 주목받고 있는 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 하지만 최근 학계에서는 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 상 전이 현상과 소자 내에 전기가 흘러 정상적인 기능을 수행하지 못하게 되는 금속화 현상이 보고돼 상용화에 큰 어려움을 겪고 있다. 구조와 특성이 변한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 역할을 수행할 수 없기 때문이다. 이는 외부의 압력이 태양전지의 성능을 현저히 저하시키는 것을 의미하며, 현재까지 그 원인이 명확히 밝혀지지 않았다.

공동연구진은 슈퍼컴퓨터를 활용한 양자역학 이론을 통해 외부 압력에 의한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 구조변화 현상을 이론적으로 증명했다. 연구진은 상 전이가 일어나는 압력을 정확하게 예측함으로서 유기 분자들이 고압력 하에서 더 높은 안정성을 위해 원래 상태인 사방정계 구조보다 입방정계 구조로 유도되는 현상을 밝혔다. 또한 높은 압력 하에서 하이브리드 페로브스카이트의 원소 중 하나인 납 원자들이 상호작용을 일으켜 부도체에서 도체 특성을 가지게 되는 금속화 현상을 야기하여 전기가 흐르게 하는 원인임을 이론적으로 증명해 냈다.

외부 압력에 의한 구조와 전기적 특성의 변화.[KIST 제공]

이정훈 박사는 현재 후속연구로 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 최적화된 소재를 개발 중에 있다. 특히 구조변화를 일으키지 않는 유기금속과 금속화현상의 원인 및 환경파괴의 원인으로 지목되는 납을 대체할 수 있는 원소를 찾는다면 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이정훈 박사는 “이번 성과는 향후 고성능의 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 개발 및 최적화에 있어 새로운 이론적 가이드라인을 제시할 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 에너지소재 분야 국제학술지 ‘ACS 에너지 레터스’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com