경북대 이상욱 교수팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 안정성 저하 원인을 규명하고 이를 개선할 수 있는 기술을 제시했다.경북대는 이상욱 교수팀이 성균관대 박지상 교수팀, 한국항공대 윤요한 교수팀과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 구동 안정성을 떨어뜨리는 메커니즘을 밝혀내고 이를 해결한 핵심 기술을 개발했다고 24일 밝혔다.페로브스카이트 태양전지는 얇고 유연한 구조와 저비용 공정으로 높은 효율 구현이 가능해 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 기술로 주목받고 있다. 다만 초기 효율을 높이는 데 활용되는 불화리튬(LiF)이 시간이 지나면서 소자의 안정성을 급격히 떨어뜨리는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다.연구팀은 실제 태양전지가 작동하는 조건에서 소자 내부 소재의 물성 변화를 실시간으로 관찰하고, 계산과학 기반 동역학 시뮬레이션을 결합해 LiF의 내부 거동을 분석했다. 그 결과 LiF 내부의 불소 이온이 페로브스카이트 내부로 침투하고, 이 이온이 구동 조건에서 소자 내부의 이온 이동을 가속화해 안정성을 저하시키는 핵심 원인이라는 점을 확인했다.연구팀은 이를 해결하기 위해 큰 부피를 가진 리튬염인 Li-TFSI를 활용해 불소 이온의 내부 침투를 선택적으로 억제하는 ‘선택적 이온 차단 기술’을 개발했다. 이 기술을 적용한 결과 LiF가 제공하는 높은 에너지 변환 효율은 유지하면서도 소자의 구동 안정성을 크게 개선한 것으로 나타났다.특히 탠덤 태양전지에서는 성능이 초기 대비 80% 수준으로 떨어지는 시간이 기존보다 55% 이상 늘어나 내구성이 향상된 것으로 확인됐다.이상욱 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 제한해 온 안정성 문제를 정량적으로 분석하고, 선택적 이온 제어를 통해 개선 방향을 제시한 사례”라며 “고효율·고내구성을 갖춘 탠덤 태양전지 등 차세대 에너지 소자 개발에 폭넓게 응용될 것으로 기대한다”고 말했다.이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래유망융합기술파이오니어 사업, 무탄소에너지핵심기술개발 사업 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스’에 지난 1월 18일 온라인 게재됐다.
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