전북대학교 한윤봉 교수팀(화학공학부)이 기능성 나노복합소재를 개발, 이를 차세대 태양전지로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지에 적용한 연구결과를 발표했다. 이번 결과는 첨단 에너지소재 분야의 세계적 학술지인 'Advanced Energy Materials'(IF=24.884) 온라인판에 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광받고 있지만, 장기간 공기에 노출될 경우 광학적/열적 불안정성과 이온들의 이동과 물에 의한 페로브스카이트 물질의 분해로 인해 태양전지 수명과 효율이 현저하게 단축되는 문제점을 갖고 있다. 이에 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 위해 고효율을 유지하면서 장기간 안정성을 확보할 수 있는 소재개발이 필요하다. 

페로브스카이트 분자는 유기·무기물 양이온과 할로겐 음이온의 결합으로 이뤄지는데, 유기물 양이온이 결정구조와 안정성에 중요한 영향을 미친다.

최근 한 교수팀은 다양한 나노복합소재를 개발하여 페로브스카이트 태양전지에 적용한 연구결과를 'Advanced Energy Materials'(IF=24.884), 'ACS Energy Letters'(IF=16.331), 'Nano Energy'(IF=15.548) 등 여러 편의 논문으로 발표한 바 있다. 

이번에 한 교수팀은 두 종류의 유기 양이온(MA 및 FA)를 최적 혼합해 페로브스카이트 분자를 만들고, 이를 구리가 도핑 된 산화니켈(Cu:NiO)과 혼합해 기능성 복합소재(FAMA-페로브스카이트-Cu:NiO)를 만들었다.

제조한 기능성 복합소재를 페로브스카이트 태양전지의 활성층에 적용한 결과 광전류밀도 24.5 mA/cm2, 채움인자(fill factor) 80.5%, 광전환효율 20.7% 이상의 고성능 태양전지를 제조할 수 있었다.

또한 열적 광학적 안정성과 공기에 대한 안정성이 크게 향상됐으며, 대기조건에서 240일이 지나도 태양전지 효율이 97% 이상 안정적으로 유지되는 결과를 얻을 수 있었다.

한윤봉 교수는 “이번 연구 결과는 화학적, 열적, 광학적으로 불안정한 페로브스카이트 분자를 안정성이 우수한 기능성 나노복합소재로 만들고, 이를 페로브스카이트 태양전지의 활성층에 적용함으로써 실용화에 걸림돌이 되고 있는 문제점의 원인을 이론적으로 규명하고, 실험을 통해 해결책을 제시했다는 점에서 의미가 크다”고 밝혔다.

한편, 이번 연구에는 한윤봉 교수와 왕유셍 박사, 타미네 마흐모디 박사가 참여했으며, 미래창조과학부의 중견연구자사업의 지원을 받아 수행했다. 

/장은성 기자