전북대학교 나석인 교수(유연인쇄전자전문대학원)와 서유현 박사과정생, 한국기초과학지원연구원 정희석 박사 등으로 구성된 공동연구팀이 실시간 투과전자현미경을 사용해 페로브스카이트 태양전지의 변온에 의한 구조변화와 성능 저하의 원인을 규명했다.

이번 연구 결과는 에너지 분야 세계 권위 저널인 '나노 에너지(Nano Energy)·IF=16.602' 7월 29일자 온라인 판에 게재됐다.

‘페로브스카이트 태양전지’는 우수한 전기적·광학적 특성을 앞세워 25% 이상의 전력 변환 효율을 달성하는 등 상용 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 재료로 주목받고 있다. 그러나, 페로브스카이트의 취약한 열적 특성으로 인해 고안정성을 요구하는 상용 태양전지에 적용하기에는 아직 해결해야 할 과제가 많다.

고품질 페로브스카이트의 박막 제조에 필요한 여러 가열공정과 실제 태양전지 작동 시 빛 에너지에 의해 증가하는 고온환경과 열에 지속적으로 노출된 페로브스카이트는 다양한 경로를 통해 열분해 가능성이 높아진다. 이는 페로브스카이트 박막 내부에 요오드화 납 침전물과 공극을 유도하고 결과적으로 소자의 성능과 수명을 단축시키는 문제를 발생시키게 된다.

그간 페로브스카이트 열분해 특성 규명을 위한 다양한 연구들이 있었으나 대부분 페로브스카이트의 열적 분해 반응이 종료된 이후 상황을 간접적으로 조사하는 연구가 주를 이루었다. 따라서 실제 열에 의한 반응을 이해하기 위해서는 실시간 기법 적용이 필수적이나, 우리 눈에 보이지 않는 나노스케일의 제한된 구조 내에서 분해과정을 실시간으로 추적하고 하고 이를 시각화 하는 것은 매우 어려운 난제로 취급되어 왔다.

이에 연구팀은 100억분의 1미터를 분석할 수 있는 한국기초과학지원연구원의 수차보정 투과전자현미경(in-situ TEM) 활용, 열을 가함과 동시에 페로브스카이트 태양전지의 열적 분해를 실시간으로 관찰했다.

연구팀은 온도가 증가함에 따라 특정 온도 구간에서 페로브스카이트가 요오드화 납으로 점진적으로 분해되는 것을 실시간으로 포착했고, 그에 따른 박막 내부의 공극 형성과 전지 내부의 원소이동을 확인했다.

또한 열분해 이후 TEM 회절 분석을 통해 조대한 납 형태의 침전을 추가적으로 발견하였으며, 이러한 결함들이 전지에 미치는 영향을 교차 점검함으로써 변온에 의한 페로브스카이트 태양전지의 구조변화와 성능 저하의 원인을 규명하였다.

연구팀은 “실시간 투과전자현미경을 통해 페로브스카이트의 열적 분해 메커니즘에 실시간으로 추적하고 이를 시각화함으로써 열분해 특성의 이해를 높이고 고내구성 태양전지의 설계 및 제조에 중요한 실마리를 제공하는데 그 의의가 있다” 라고 이번 연구성과의 의미를 밝혔다.

한편, 이번 연구는 ‘한국전력연구원(주력연구사업)’, ‘한국연구재단(기초연구사업)’, ‘한국산업기술진흥원(산업전문인력역량강화사업)’ 등의 지원을 받아 이뤄졌다. /장은성 기자