연구 과정 개요 모식도. (상단 왼쪽) 페로브스카이트 태양전지 구조, (상단 오른쪽) 실시간 투과전자현미경 측정 모식도, (하단) 온도 상승에 따른 조성별 페로브스카이트 태양전지의 구조변화 실시간 투과전자현미경 관찰 이미지.[한국기초과학지원연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 기존 실리콘 태양전지를 대체할 것으로 기대되는 페로브스카이트 태양전지의 성능 저하 원인이 국내 연구진에 의해 규명됐다.

한국기초과학지원연구원(KBSI)은 전주센터 정희석 박사 연구팀은 전북대학교 나석인 교수 연구팀과실시간 투과전자현미경을 활용해 페로브스카이트의 온도 상승에 따른 성능 저하의 원인을 분석했다고 13일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 대비 높은 전력변환효율을 달성하는 등 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있으나, 열에 취약하다는 단점으로 실제 상용화에는 극복하기 어려운 한계점이 있었다.

열에 의한 소자 성능과 수명 저하 원인을 정확히 파악하기 위해서는 나노수준에서의 실시간 시각화 연구가 반드시 해결돼야할 난제로 여겨졌다. 고품질의 페로브스카이트 박막 제조에는 가열공정이 필수적이며, 태양전지 소자로 활용할 경우 고온 환경에 노출 될 수밖에 없기 때문이다.

공동연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 온도 상승에 따른 열분해 등 화학적 구조변화를 관찰하기 위해 최고 0.1nm(나노미터)수준에서 원자의 배열까지 관찰할 수 있는 STEM용 수차보정 투과전자현미경을 이용했다. 이 장비를 통해 페로브스카이트 태양전지 온도 상승에 따라 내부에 공극이 만들어지거나, 원소가 이동하는 등 소자의 성능 저하 원인을 실시간으로 분석했다.

페로브스카이트 태양전지의 분석에 활용된 STEM용 수차보정 투과전자현미경.[한국기초과학지원연구원 제공]

특히 페로브스카이트 태양전지의 온도상승에 따른 구조변화를 실시간으로 관찰함으로써, 차세대 에너지소자로 주목받는 페로브스카이트 태양전지에 대한 기초 물성 연구는 물론 다양한 에너지·전자소자의 성능 개선을 위한 산업적 응용이 본격화 될 것으로 기대된다.

나석인 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 합성하고 소자 특성에 대한 연구를 수행했으며, 정희석 박사 연구팀은 STEM용 수차보정 투과전자현미경을 이용한 실시간 구조·화학 분석을 맡았다.

정희석 박사는 “페로브스카이트의 성능 저하 원인을 나노스케일에서 실시간으로 분석할 수 있었던 것은 실시간 수차보정 투과전자현미경의 역할이 가장 주요했다”며 “기초지원연이 보유한 세계적 수준의 첨단연구장비와 연구인력이 차세대 반도체·에너지 소자 개발 등 국가적으로 중요한 연구의 난제들을 해결하는데 보다 많은 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구성과는 나노분야 국제학술지 ‘나노 에너지’ 최신호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com