한국기초과학지원연구원(원장 신형식) 전주센터 정희석 박사 연구팀과 전북대 유연인쇄전자전문대학원 나석인 교수 연구팀이 공동연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 성능 저하 원인을 규명했다.
 
페로브스카이트 태양전지의 온도상승에 따른 구조변화를 실시간으로 관찰함으로써, 차세대 에너지소자로 주목받는 페로브스카이트 태양전지에 대한 기초 물성 연구는 물론 다양한 에너지·전자소자의 성능 개선을 위한 산업적 응용이 본격화 될 것으로 기대된다.

연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 온도 상승에 따른 열분해 등 화학적 구조변화를 관찰하기 위해 최고 0.1nm(나노미터)수준에서 원자의 배열까지 관찰할 수 있는 STEM용 수차보정 투과전자현미경을 이용했다.

이 장비를 통해 페로브스카이트 태양전지 온도 상승에 따라 내부에 공극이 만들어지거나, 원소가 이동하는 등 소자의 성능 저하 원인을 실시간으로 분석했다.
 
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 대비 높은 전력변환효율*을 달성하는 등 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있으나, 열에 취약하다는 단점으로 실제 상용화에는 극복하기 어려운 한계점이 제기되어 왔다.

열에 의한 소자 성능과 수명 저하 원인을 정확히 파악하기 위해서는 나노수준에서의 실시간 시각화 연구가 반드시 해결되어야할 난제로 여겨졌다.

고품질의 페로브스카이트 박막 제조에는 가열공정이 필수적이며, 태양전지 소자로 활용할 경우 고온 환경에 노출 될 수밖에 없기 때문이다.

제1저자인 서유현 박사과정연구원 등 전북대 나석인 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지를 합성하고 소자 특성에 대한 연구를 수행했으며, KBSI 정희석 박사 연구팀은 STEM용 수차보정 투과전자현미경을 이용한 실시간 구조·화학 분석을 맡았다.
 
이번 연구는 ‘한국전력연구원(주력연구사업)’, ‘한국연구재단(기초연구사업)’, ‘한국산업기술진흥원(산업전문인력역량강화사업)’, ‘한국기초과학지원연구원(분석신뢰성향상사업)’ 등의 지원으로 이뤄졌다.
 
전북대 나석인 교수는 “실시간 수차보정 투과전자현미경을 통해 페로브스카이트의 열분해 메커니즘을 규명함에 따라, 향후 보다 내구도가 높은 페로브스카이트 태양전지를 설계하고 제조하는데 중요한 실마리를 제공한 것”이라고 밝혔다.
 
KBSI 전주센터 정희석 박사는 “페로브스카이트의 성능 저하 원인을 나노스케일에서 실시간으로 분석할 수 있었던 것은 실시간 수차보정 투과전자현미경의 역할이 가장 주요했다”며, “KBSI가 보유한 세계적 수준의 첨단연구장비와 연구인력이 차세대 반도체·에너지 소자 개발 등 국가적으로 중요한 연구의 난제들을 해결하는데 보다 많은 기여를 할 수 있을 것”이라고 밝혔다.  

이번 연구성과는 세계적인 나노분야 학술지인 나노에너지(Nano Energy)誌 온라인판(논문명: In situ TEM observation of the heat-induced degradation of single-and triple-cation planar perovskite solar cells, IF=16.602, 공동교신저자:KBSI 정희석 책임연구원, 전북대 나석인 교수)에 최근 게재되었다.