[미국] 컬럼비아大, 페로브스카이트 태양전지의 미스터리 해결

컬럼비아 대학교 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 (perovskite) 태양전지의 미스터리를 풀고 이 연구 결과를 Science 학술지를 통해 발표했다.

현재 태양광패널 시장을 장악하고 있는 태양전지의 기술 표준은 실리콘 패널인데, 제조과정에서 발생할 수 있는 결정구조에서의 아주 작은 미세결점도 에너지 변환과정의 효율저하로 직결되기 때문에 순도 99.999%를 유지해야 하고, 또한 쉽게 망가질 수 있기 때문에 제조 비용이 많이 드는 치명적인 단점이 있다.

이에 반해 최근 태양전지 소재에서 ‘슈퍼스타’로 떠오르고 있는 페로브스카이트는 기존의 실리콘 패널과 달리, 제조과정시 다소 결점이 존재하더라도 실리콘보다 에너지 변환 효율성이 우수하고 태양전지 제작 비용이 저렴하기 때문에 많은 연구팀들이 경쟁적으로 연구 중이다.

지금까지 이 부문에서 발표된 연구들은 대부분 페로브스카이트 태양전지의 성능 혹은 제조방식 개선에 관한 내용들이었던 반면, 그 어떤 연구팀도 왜 페로브스카이트 태양전지가 성능이 뛰어난지, 얼마나 더 나은 태양전지를 만들 수 있는지를 설명하지 못했다.

이에 대해, 컬럼비아 연구팀은 태양전지의 각 파트 간 에너지 활성화된 전자가 이동하는 과정에서 발생하는 에너지 손실율이 유-무기 복합 페로브스카이트 (Hybrid Organic Inorganic Perovskites, HOIPs)를 이용하면 실리콘에 비해 수백 배 가량 느려지기 때문에 에너지 효율을 높일 수 있다는 것을 발견하였다.

연구팀은 전자에너지의 냉각 속도를 늦추는 기작으로 인해 전자가 제조과정에서 발생한 재료의 결점을 알아차리지 못하게 되는 일종의 눈가림 효과를 내어 결점이 있는 재료도 마치 완벽한 반도체처럼 성능을 낼 수 있도록 한다는 사실을 밝혀냈었다.

이와 같은 연구 결과는 HOIP 태양전지의 효율이 우리가 생각하는 것 (c.f. 실리콘 전지 에너지 효율의 경우 이론적 한계가 33%임) 보다 훨씬 능가할 수 있음을 시사하는 결과로서 태양광전지 분야의 혁신을 불러올 것으로 보인다.

하지만, 현재 HOIP 패널이 당면한 과제는 바로 환경오염인데, 현재 HOIP는 납성분을 포함하면서 수용성을 갖기 때문에 자칫 관리가 안 될 경우 납중독을 비롯한 환경 문제를 야기할 수 있다. 따라서 향후 재료과학 연구는 연구팀이 밝혀낸 메커니즘을 바탕으로 한 친환경적인 소재를 설계하는 방향으로 진행될 것으로 보인다.

[출처 = 녹색기술정보시스템(www.greenplatform.re.kr) / 2016. 09. 28]