[뉴스웍스=문병도 기자] 신현정, 박남규 성균관대 교수 연구팀이 박종혁 연세대 교수팀과 함께 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제안했다.

페로브스카이트는 티탄산 칼슘(CaTiO3)으로 이루어진 칼슘 타이타늄 산화광물이다. CaTiO3와 같은 형식의 결정 구조로 이루어진 것을 페로브스카이트 구조로 분류한다. 여러 다른 양이온이 이 구조에 들어갈 수 있어서 다양한 재료 공학 물질로의 개발이 가능하다. 

페로브스카이트 태양전지는 페로브스카이트 결정구조를 지닌 유무기 하이브리드 할로겐화물을 광흡수 소재로 이용한다. 납이나 주석을 중심 금속으로 하는 유-무기 할로젠화물이 주로 사용된다.

태양전지의 광전변환효율이 높을수록 많은 전기를 생산한다. 관건은 광흡수층으로 쓰이는 페로브스카이트 박막 표면의 결함을 얼마나 보완하고 제어할 수 있는지에 달려 있다. 표면의 납 및 요오드 계열의 결함 등이 광흡수를 통해 만들어낸 광전하들을 가두는 트랩으로 작용해 광전변환 효율을 떨어뜨리기 때문이다.

연구팀은 광전변환 능력이 부족한 2차원 구조의 페로브스카이트와 광흡수층으로 사용하기에 적절한 밴드갭을 가지는 3차원 구조의 페로브스카이트를 접합하고자 했다.

그간 2차원 및 3차원 페로브스카이트를 접합하려는 시도가 있었으나, 2차원 물질의 높은 생성 에너지로 인해 열처리 혹은 압력을 통한 후 공정이 요구되는 한계가 있었다.

연구팀은 열을 가하는 후처리를 생략할 수 있도록 자발적으로 2차원 평면 페로브스카이트 구조를 형성하기에 적합한 분자를 탐색했다. 용매와 분자 사이 최적의 화학반응으로 3차원 페로브스카이트 표면에 2차원 형태의 입체 구조가 자발적으로 접합되도록 유도했다.

이렇게 만들어진 이종접합 구조에서는 계단식 에너지 밴드 정렬로 인해 전하수송이 원활해지면서 광전하 추출효율이 높아져 23.91%의 광전효율변환 특성을 보였다. 기존 실리콘 태양전지의 효율인 26.7%에 근접하는 수치다.