"단순 접촉만으로 효율 26%↑" … 고려대 노준홍 교수팀, 페로브스카이트 태양전지 '새 상호작용' 발견

고려대학교는 건축사회환경공학부 노준홍 교수 연구팀이 차세대 고효율 태양전지 핵심 소재로 주목받는 페로브스카이트를 단순히 접촉시키는 것만으로 태양전지의 효율을 26.25%까지 끌어올리는 방법을 발견했다고 7일 밝혔다.

페로브스카이트는 습기나 열에 민감해 성능이 저하되지 않게 첨가제를 넣거나 표면에 화학약품 처리를 해야 했다. 이 방법은 성능 향상에는 효과적이지만, 실제 공정에서 영구 결합과 양이온 교환 등 다양한 상호작용이 한꺼번에 일어나기 쉬워 어떤 작용이 핵심 역할을 하는지 분리 해석하기 어려웠다.

연구팀은 페로브스카이트 2차원 박막과 3차원 박막을 따로 만든 뒤 단순히 맞닿게 하는 실험을 설계했다. 그 결과 영구적인 화학반응이나 접합 형성 없이 두 층이 맞닿기만 해도 새로운 양이온 상호작용이 나타나고, 떨어지면 원래 상태로 돌아가는 가역적 변화를 발견했다.

연구팀이 발견한 ‘접촉 유도 양이온 상호작용’은 표면에서 시작된 계면 상호작용이 물질 내부 구조까지 바꿀 수 있음을 입증했다. 상호작용이 강할수록 분자의 움직임은 더 제한됐고, 구조도 안정적으로 유지됐다.

또한 상호작용이 작동하는 상태에서 추가 열처리를 하면 3차원 페로브스카이트의 이온 분포가 더 균일해지고, 결정 배열도 더 정돈됐다.

위 과정을 통해 구조가 정제된 페로브스카이트를 태양전지에 적용해 성능과 안정성을 향상했다. 광전변환효율(빛 에너지의 전기 에너지 변환효율)은 최고 26.25%를 기록했다. 2000시간 구동 후에도 초기 효율의 95.2%를 유지했다. 가속 열화 시험을 바탕으로 추정한 예상 작동 수명(태양전지 효율이 80%로 감소할 때까지 시간)은 약 2만4800시간으로 나타났다.

노 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트가 단순한 접촉만으로도 새로운 계면 상호작용을 유도해 구조 재편까지 이끌 수 있음을 밝혀내고, 이를 태양전지의 효율과 안정성을 확보하는 기술로 활용했다는 데 의의가 있다”며 “이번 발견은 페로브스카이트뿐 아니라 다양한 차세대 결정성 재료의 계면 설계에도 새로운 단서를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구 논문은 에너지 분야 세계 최고 권위 학술지 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 지난달 25일 온라인 게재됐다. 한국과학기술원 응용과학연구소 이승민 연구원과 서울대 정밀기계공동연구소 장연우 선임연구원이 공동 제1저자, 고려대 노준홍 교수가 교신저자로 각각 참여했다.

이번 연구는 산업통상부 에너지기술평가원 에너지인력양성사업(유무기복합형 태양전지 에너지혁신연구센터), 과학기술정보통신부 한국연구재단 무탄소에너지핵심기술개발사업 및 중견연구자지원사업 등의 지원을 받았다.