서울시립대학교 화학공학과 김민 교수 연구팀이 친환경 공정을 적용한 페로브스카이트 태양전지 안정화 기술을 개발했다.

서울시립대는 김민 교수 연구팀이 충남대학교 이재원 교수, 군산대학교 양정엽 교수 연구팀과 공동 연구를 수행해 해당 성과를 국제 학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials)’에 게재했다고 13일 밝혔다. 이 학술지는 재료공학 분야 세계적 학술지로 JCR 기준 상위 4.8%에 해당한다.

연구팀 논문은 해당 학술지 ‘인사이드 백 커버(Inside Back Cover)’ 논문으로도 선정됐다.

페로브스카이트 태양전지는 26% 이상의 높은 광전변환효율로 차세대 태양전지 후보로 주목받고 있다. 그러나 기존 연구는 습도 30% 미만의 불활성 환경과 클로로벤젠, 디에틸 에테르 등 독성 용매에 의존해 상용화에 한계가 있었다.

친환경 용매로 주목받는 에틸아세테이트는 대기 환경 공정에 적합하지만 휘발성이 높아 결정화 과정이 불규칙하게 진행되는 문제가 있었다. 이 때문에 필름 결함과 핀홀이 발생해 효율과 안정성이 떨어지는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 이를 해결하기 위해 고리 구조를 가진 두 종류의 N-헤테로사이클 암모늄 이온성 액체를 설계했다. 연구팀은 피롤리디늄 양이온과 피페리디늄 양이온을 에틸아세테이트 용매에 첨가해 상대습도 50% 이하의 대기 조건에서도 고품질 페로브스카이트 박막을 제조할 수 있음을 확인했다.

이 과정에서 작은 고리 구조의 양이온이 계면에 초박막 저차원 페로브스카이트 층을 형성해 결정 배향을 강화하고 결함을 줄이는 효과가 나타났다.

이 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 최고 광전변환효율 24.7%를 기록했다. 또 섭씨 85도, 상대습도 85%의 고온다습 환경에서도 1000시간 이후 초기 효율의 90% 이상을 유지해 높은 내구성을 입증했다.

연구팀은 이번 기술이 독성 용매와 불활성 분위기 없이도 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지 제조가 가능한 공정을 제시했다는 점에서 상용화 가능성을 높였다고 설명했다.

김민 교수는 “친환경 용매와 이온성 액체 분자를 도입해 페로브스카이트 박막의 결정성과 태양전지 성능을 동시에 향상시켰다”며 “고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지 실용화를 앞당길 핵심 전략이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상자원부 지원을 받아 수행됐다.