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지난해 여름, 기록적인 폭우로 서울을 포함한 수도권 지방에 이른바 ‘물폭탄’이 집중됐고, 파키스탄은 폭우로 인해 국토의 약 3분의 1가량이 침수됐다. 미국 뉴욕주에서는 작년 12월, 눈폭풍이 강타하여 1미터가 넘는 눈이 내리기도 했다.

이처럼 지구 전역에서 기상이변이 속출하고 있다. 지난해는 기후 관측이 시작된 1850년 이후 다섯 번째로 뜨거운 해였다고 한다. (유럽연합 진행위원회 산하 기후변화 감시기구 발표) 기상이변의 가장 큰 원인은 바로 환경오염이다. 생활 속 유해 물질과 공장에서 내뿜는 대기오염 물질이 지구를 병들게 하고 있다. 탄소나 유해 물질 발생량을 줄이고, 지구와 인간이 공생하기 위해서는 친환경 재생에너지가 필요하다.

POSTECH(포항공과대학교, 총장 김무환) 화학공학과 박태호 교수 · 통합과정 김도현 · 최현태 · 정우택 씨, 한국화학연구원 전남중 박사, 충남대 응용화학공학과 송슬기 교수 공동연구팀은 페로브스카이트 필름 처리를 위한 새로운 첨가제를 개발하여 에너지 전환 효율이 높으면서도 안정적인 페로브스카이트 태양 전지를 제작하는 데 성공했다. 이번 연구는 에너지, 환경 분야에서 영향력 높은 학술지인 ‘에너지 및 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 게재됐다.

▲ 왼쪽부터, 김도현, 공동1저자, POSTECH 화학공학과; 최현태, 공동1저자, POSTECH 화학공학과; 송슬기, 공동교신저자, 충남대 응용화학공학과

페로브스카이트1) 태양 전지(Perovskite Solar Cell, 이하 PSC)는 페로브스카이트를 활용하여 태양의 에너지를 활용하는 전지다. PSC는 가공이 쉽고, 공정비용이 저렴해 차세대 태양 전지 소재로 주목받고 있다. 그러나 수분에 취약하고, 페로브스카이트 표면에 있는 결함이 전력 변환 효율(Power Conversion Efficiency)을 저해한다. PSC의 안정성과 효율성을 높이기 위해서는 페로브스카이트 필름 표면에 생기는 결함을 제거해야 한다. 지금은 첨가제를 용매에 녹여 페로브스카이트 필름 표면에 도포하는 방식으로 처리하는데, 용매가 쉽게 증발하여 첨가제가 고체로 변하기 때문에 필름 표면의 결함을 제대로 제거할 수 없었다.

연구팀은 ‘알킬암모늄 포르메이트(Alkylammonium formates, 이하 AAFos)’이라는 첨가제를 새롭게 합성하여 표면 처리 과정에 사용했다. AAFos는 AAFos 내 양이온과 유사 할로겐화물2) 음이온 사이의 결합이 약해 상대적으로 낮은 온도에서 액체로 존재할 수 있는데, 연구팀은 이 첨가제의 ‘고체-액체 상변화’에 주목한 것이다. AAFos는 용매 사용 여부와 상관없이 짧은 열처리 과정을 통해 고체에서 액체로 변화하여 필름 표면의 결함을 제거하고, 이후 상온에서 다시 고체로 변한다. 또, AAFos의 유사 할로겐화물 음이온은 할로겐 결함과의 친화력이 높아 표면에 있는 결함을 효과적으로 처리할 수 있고, 양이온의 긴 알킬 사슬은 페로브스카이트 층으로의 수분 침투를 막아 수분 안정성을 향상시킬 수 있다.

또, 연구팀은 AAFos를 사용하면 PSC의 전력 변환 효율이 상승한다는 것도 실험을 통해 확인했다. PSC 단일면적에서 약 25퍼센트의 높은 전력 변환 효율을 보였으며, 동일 소자에서 세계 최고의 충진율3)인 80.77퍼센트를 달성했다. 면적이 넓은 PSC 모듈(23.75제곱센티미터)에서 20.82퍼센트의 효율을 기록했는데, 면적이 클수록 효율과 충진율이 낮아지는 기존 태양 전지의 한계를 극복한 것이다.

태양 전지로 대표되는 재생에너지 개발은 이제 선택사항이 아닌 의무일 것이다. 이번 연구를 통해 페로브스카이트 태양 전지가 차세대 태양 전지로서의 입지를 굳히고, 넓은 면적에서도 널리 활용될 것으로 기대된다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 지원으로 수행됐다.