성균관대학교 에너지과학과 신현정 교수 연구팀이 차세대 태양전지 핵심 소재로 꼽히는 페로브스카이트가 이론적 한계를 넘어 높은 효율을 보이는 원인을 규명했다.

8일 성균관대에 따르면 연구팀은 페로브스카이트(α-FAPbI3) 박막 제조 과정에서 발생하는 ‘비등방성 스트레인(미세한 뒤틀림)’이 전하 이동을 촉진해 태양전지 효율을 높인다는 사실을 실험과 분석을 통해 확인했다. 그동안 학계에서는 완벽한 정육면체 대칭 구조가 전기적 성능에 유리하다고 여겨졌으나, 실제 소자에서는 이론적으로 설명하기 어려운 고효율이 관측돼 왔다.

연구팀은 태양전지 박막을 형성하는 과정에서 물질이 특정 방향으로 늘어나거나 압축되며 구조적 비대칭이 생긴다는 점에 주목했다. 분석 결과, 이러한 미세한 구조 변형이 결정 대칭을 깨뜨리면서 전하가 더 빠르고 오래 이동할 수 있는 전자 구조 변화를 유도하는 것으로 나타났다. 이 과정에서 이른바 ‘라쉬바 효과’가 강화돼 전하 재결합이 억제되고 소자 성능이 향상되는 메커니즘이 작동했다는 설명이다.

연구팀은 이 같은 현상을 검증하기 위해 국내외 연구진과 공동 연구를 진행했다. 대구경북과학기술원 연구팀과는 광학 분석을 통해 뒤틀린 구조에서 전하 이동 특성이 달라지는 것을 확인했고, 일본 교토대와 오사카대 연구진과는 전자의 이동 속도와 수명을 정밀 측정했다.

신현정 교수는 “이번 연구는 완벽한 결정 구조가 항상 최적이라는 기존 인식을 넘어, 미세한 구조 변형을 제어해 소자 성능을 향상시킬 수 있음을 보여준다”며 “고효율 태양전지뿐 아니라 향후 양자 소자와 차세대 전자소자 설계에도 활용 가능한 기초 원리를 제시했다”고 설명했다.

이번 연구는 한국연구재단 해외우수연구기관 협력허브 구축사업과 중견연구자지원사업, 우수신진연구지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 게재됐다.