▲ Pb가 Cu로 치환된 페로브스카이트 소재 박막의 결정립 향상 사진 .

국내 연구진이 안전성 문제로 지적되온 광활성 층의 납 성분을 구리와 다른 금속으로 대체한 페로브스카이트 전지 개발에 성공했다.

한국화학연구원(원장 이규호)과 경희대학교(총장 조인원)는 환경친화적이며 여러 분야에 응용이 가능한 페로브스카이트 태양전지의 가능성을 확인했다.

본 소재는 기존 페로브스카이트 태양전지에 들어있는 납 성분의 일부를 구리 금속으로 치환한 새로운 소재다. 화학(연) 문상진 박사 팀과 경희대 임상혁 교수(화학공학과)팀의 공동연구로 개발된 본 결과는 올해 국내 특허 등록과 미국 특허 출원을 완료하였으며, 국제 저널 ‘나노 에너지 (Nano Energy)’ 9월호에 게재되었다.

페로브스카이트 태양전지는 저가의 화학물질을 저온-용액공정을 통해 저렴하고 간단하게 대량생산할 수 있다는 장점이 있어, 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 소재로 주목받고 있다. 현재 최고 효율은 미국 재생에너지연구소가 기록한 22.1%이다.

그러나 전지의 핵심 광활성층 소재(CH3NH3PbI3)에 중금속인 납(Pb)을 쓰고 있어 안전성 문제가 제기되고 있으며, 이에 따라 최근 페로브스카이트 소재의 납을 없애거나 다른 물질을 조합하는 소재 개발 연구가 전 세계적으로 진행 중이나 연구 초기 단계에 불과하다.

이에 연구팀은 페로브스카이트 소재에 납 단일 성분이 아닌 구리(Cu) 등 다른 금속을 조합해 치밀하고 큰 결정 크기와 높은 전기전도도를 가진 신규 소재를 개발했다. 연구팀에 따르면, 소재의 내구성과 재현성도 우수한 것으로 밝혀졌다. 또한, 구리 도핑 때문에 반도체의 특성을 조절할 수 있어, 향후 태양전지뿐만 아니라 LED, 트랜지스터 등의 분야에도 널리 응용할 가능성을 제시했다.

화학연 문상진 연구책임자는 “본 소재는 납 대신 구리를 부분 조합하고도 우수한 성능을 보유하여, 납이 완전히 제거된 페로브스카이트 소재가 개발되기 전까지 핵심 원천소재 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다” 고 밝혔다.

연구팀은 향후 납이 완전히 제거된 새로운 페로브스카이트 소재 개발과 내구성 등 수명을 높이기 위한 소재 및 소자 개발을 목표로 연구를 진행하고 있다.

한편, 본 연구는 미래창조과학부의 재원으로, 한국연구재단 기후변화대응기술개발사업, 미래기반기술개발사업 등의 지원을 통해 수행되었다.