성균관대 신현정 교수팀, 차세대 페로브스카이트 태양전지 고효율의 비밀 찾았다 … 결함 같던 '미세 찌그러짐'이 전하 고속이동의 통로

성균관대학교는 에너지과학과 신현정 교수 연구팀이 차세대 태양전지의 핵심 소재인 페로브스카이트(α-FAPbI₃)가 이론적 한계를 뛰어넘어 기록적인 고효율을 내는 결정적인 이유가 제작 과정에서 발생하는 '방향성 있는 미세 뒤틀림(비등방성 스트레인)'에 있다는 것을 세계 최초로 규명했다고 4일 밝혔다.

페로브스카이트는 빛을 전기로 바꾸는 능력이 탁월해 차세대 태양전지의 꽃이라 불리는 물질이다. 그중에서도 가장 널리 쓰이는 소재는 주사위처럼 사방이 완벽하게 대칭을 이루는 정육면체 구조다. 그동안 학계에선 이런 대칭 구조가 전기를 만드는 데 유리하다고 믿어왔으나, 실험에서는 이론적으로 설명하기 힘들 만큼 훨씬 더 높은 효율이 관찰돼 그 원인이 무엇인지 미스터리로 남아 있었다.

연구팀은 이 수수께끼를 풀기 위해 태양전지의 아주 얇은 막(박막)을 만드는 과정에 주목했다. 연구 결과, 물질을 얇게 펴 바르는 과정에서 입자들이 특정 방향으로 당겨지거나 눌리며 미세하게 찌그러지는 현상인 '비등방성 스트레인'이 발생한다는 것을 발견했다. 이 미세한 뒤틀림이 완벽했던 정육면체 구조의 대칭을 깨뜨리며, 오히려 전하(전기 입자)가 더 빠르고 오래 이동할 수 있는 '고속도로(라쉬바 효과)'를 만들어낸다는 사실을 밝혀냈다.

연구팀은 대구경북과학기술원 성주영 교수팀과의 협업을 통해 이런 뒤틀린 구조에서 전기가 더 활발히 흐르는 현상을 확인했다. 일본 교토대와 오사카대 연구팀과는 전자가 이동하는 속도를 정밀하게 측정했다. 이를 통해 연구팀은 제조 과정에서 생긴 미세한 변형이 태양전지의 성능을 획기적으로 높이는 치트키 역할을 한다는 것을 증명했다.

신현정 교수는 "이번 연구는 완벽한 구조가 최선이라는 기존의 고정관념을 깨고 미세한 구조적 변형을 조절해 소자의 성능을 극대화할 수 있음을 보여준다"며 "이 원리는 고효율 태양전지뿐 아니라 향후 초고속 컴퓨터 부품이나 미래형 양자 정보 소자 등 다양한 첨단 기술 분야에 혁신을 가져올 것"이라고 말했다.

이번 연구 성과는 에너지·재료 과학 분야의 세계적 권위지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials·첨단 에너지 소재)'에 지난달 19일 게재됐다. 성균관대 에너지과학과 정현준 박사가 주저자, 신현정 교수가 교신저자 등으로 참여했다.

이번 연구는 한국연구재단 해외우수연구기관 협력허브 구축사업과 중견연구자지원사업 그리고 우수신진연구지원사업의 지원으로 수행됐다.