차세대 유망 태양전지 기술로 인정받은 ‘페로브스카이트’ 광흡수 물질을 염료로 사용한 연료감응 태양전지의 고효율 원인이 성균관대학교 박남규 교수 연구팀과 스페인 Jaume I 대학 비스커트(Bisquert) 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 밝혀졌다.

* 페로브스카이트(perovskite): 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론, 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질임. ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 A양이온은 X음이온과 12배위를 하고, B는 X와 6배위를 함.

성균대 박남규 교수 연구팀이 수행한 본 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프론티어 연구개발사업의 ‘멀티스케일 에너지 시스템 연구단’의 지원을 받아 연구를 수행하였으며 세계최고 과학전문지인 네이처 커뮤니케이션(Nature Communications)에 온라인 7월 31일자로 게재되었다.

* 논문명: Mechanism of carrier accumulation in perovskite thin-absorber solar cells
* 연구팀: 김희선 (제1저자, 성균관대 박사과정), 박남규 교수 (교신저자, 성균관대), Ivan More-Sero (공동 교신저자, 스페인 Jaume I 대학) 및 Juan Bisquert 교수 (스페인 Jaume I 대학)

연구팀은 작년 이산화티타늄(TiO2) 나노입자에 CH3NH3PbI3 화학식을 갖는 페로브스카이트라는 유무기복합 반도체 광흡수 물질을 흡착하여 9% 이상의 고효율 박막 태양전지를 세계 최초로 개발하였다고 발표(‘12년 8월, Nature Scientific Reports)한 바 있다.

그 이후 페로브스카이트 물질을 염료로 사용한 태양전지가 기존 태양전지 기술의 패러다임을 바꾼 차세대 유망 태양전지 기술로 인정받은 바 있으나, 핵심물질인 페로브스카이트를 사용할 경우 왜 기존 유기염료를 이용할 때보다 고효율(기존보다 2배)이 가능한지에 대한 의문점이 해결해야 할 과제로 남아 있었다.

연구팀은 염료감응 태양전지에서 사용되는 염료는 빛을 흡수하면 전자와 홀을 발생하고 전자와 홀은 n-형 이산화티타늄과 p-형 홀전도체로 분리되는데, 페로브스카이트 CH3NH3PbI3 물질을 염료로 사용할 경우 n-형, p-형으로 전하분리도 되지만 페로브스카이트 광흡수 물질이 광전하를 축적할 수 있다는 사실을 임피던스를 이용하여 처음으로 규명하였으며, 이는 유기염료에서는 가능하지 않은 새로운 현상임을 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지가 자체적으로 전하를 축적하는 기능이 있으므로 전하 분리과정에서 발생되는 손실을 방지할 수 있으며, 이산화티타늄 외에 페로브스카이트보다 에너지준위가 높은 지르코티아(ZrO2), 알루미나(Al2O3), 심지어는 n-형 특성이 전혀 없는 플라스틱이나 종이 등을 사용하여도 태양전지를 구동할 수 있다. 이것은 페로브스카이트를 이용한 태양전지를 제작할 경우 기존의 방식과는 다르게 설계해야 한다는 주요한 단서를 제공한다.

이번 연구결과는 페로브스카이트 광흡수 물질의 비밀을 밝힘으로써 고효율 태양전지 개발의 단초를 제공하였다는데 의의를 가지며 페로브스카이트 물질의 독특한 성질을 이용할 경우 향후 20% 이상 값싼 고효율 태양전지가 실현될 것으로 전망된다.