[서울=뉴스핌] 나은경 기자 = 국내 연구진이 유기금속 할라이드 페로브스카이트 태양전지 열역학 특성을 규명해냈다. 이번 연구는 광전환 효율이 높은 태양전지를 만드는 데 활용될 전망이다.
13일 광주과학기술원(GIST)에 따르면 김봉중 신소재공학부 교수 연구팀은 실시간 투과전자현미경 법과 단결정 메틸암모늄 납 할라이드 페로브스카이트 나노로드를 이용하여 산소와 습기가 제거된 고진공에서 페로브스카이트의 열적 분해과정을 정량화하는데 성공했다. 이를 통해 고온에서 분해된 요오드화납이 저온에서 완전히 회복됨을 규명했다.
페로브스카이트는 주로 태양전지에 사용되는 물질로 최근 21%를 상회하는 태양전지 전력변환효율을 보이고 있어 각광을 받고 있다. 특히 단결정 페로브스카이트 구조는 적색파장대로 변이되는 흡수, 더욱 빠른 전하이동, 높은 안정성 등으로 태양전지뿐 아니라 엑스선 검출기, 감마선 검출기, 가시광선 검출기 등에 광범위하게 활용되고 있다.
높은 광전환 효율을 갖는 태양전지를 만들기 위해서는 높은 품질의 결정성과 모폴로지가 요구된다. 이를 위해 반 용매 공법을 이용해 중간상을 만들고 이를 가열해 결정질 페로브스카이트를 생산한다. 하지만 이러한 상변화를 위해 주어지는 온도가 너무 높거나 태양전지 작동시 증가하는 온도는 페로브스카이트를 분해해 요오드화납을 석출시키고, 전지의 작동이 멈춘 후에도 지속적으로 남아 전지의 효율을 급속히 감소하게 만든다.
이번 연구에서는 반용매 공법을 이용해 최초로 단결정 중간상 나노로드를 합성했다. 이를 산소와 습기가 제어된 고진공 환경에서 가열하여 중간상, 페로브스카이트, 석출된 요오드화납의 결정구조와 결정의 상호 방향관계를 규명했다. 더 나아가 섭씨 155도까지 온도 사이클을 줌으로써 온도에 따른 요오드화납 입자의 부피를 측정했고, 이를 통해 페로브스카이트가 요오드화납으로 분해되기 위한 엔탈피를 구했다. 또한 요오드화납이 석출되는 동안 메틸암모늄 납 할라이드 분자가 증발하지 않고, 페로브스카이트 내에 과 농축됨을 발견하여 새로운 형태의 열역학적인 상태도를 만들 수 있었다.
놀랍게도 고온에서 석출되었던 요오드화납이 저온에서 단결정 페로브스카이트로 회복되었는데 이때 캐리어 모빌리티, 포획밀도, 유전상수도 회복됨을 확인했다는 설명이다.
김봉중 교수는 "본 연구결과는 취약한 열적 안정성과 효율증가의 한계에 부딪혀 있는 페로브스카이트 태양전지 연구에 근본적인 해결책을 제시했을 뿐 아니라, 유기금속 할라이드 페로브스카이트의 열역학적 특성을 정량적으로 규명한 최초의 사례"라고 말했다.
교신저자인 김 교수가 주도하고 제1저자인 조용륜 연구원이 참여한 이번 연구는 삼성전자 미래기술육성센터의 지원을 받아 수행됐다. 이번 연구성과는 재료화학 분야 국제저명학술지 에이씨에스 센트럴 사이언스(ACS Central Science, IF: 12.837)에 지난 7일자 온라인으로 게재됐다. 학계 및 일반인에게 널리 알릴만한 내용으로 인정받아 학술지의 표지논문으로도 선정됐다.
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