역구조 페로브스카이트 태양전지 개발, 상용화 가능성 높여
“그간의 연구 경험 바탕으로 새로운 방법 찾아” 

화학공학과 임상혁 교수 연구팀이 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성 문제를 해결, 상용화 가능성을 열었다. 연구팀은 페로브스카이트 구조를 뒤바꿔 정방향과 역방향으로 측정했을 때 효율 편차가 심한 히스테리시스를 없애고, 효율을 현재 상용화된 결정질 실리콘 태양전지 수준으로 향상시켰다. 연구 결과는 에너지 분야 권위지 <에너지·환경과학(Energy & Environmental Science)> 4월 1일자에 게재됐다. 연구는 임상혁 교수(교신저자)가 주도하고, 허진혁 박사과정생(제1저자)과 한혜지(10학번) 학부생이 참여했다.

페로브스카이트의 가장 큰 문제, 내구성 저하 해결 실마리 제공
결정질 실리콘 기반 태양전지는 공정 비용과 발전 단가가 비싸고, 내구성 문제로 원자력이나 화석연료 등 기존 에너지원을 대체하는 데 한계가 있었다. 이에 저가로 제작이 가능하고 실리콘에 근접한 효율을 보이는 페로브스카이트가 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 그러나 페로브스카이트는 태양광을 받아 자유전자(-)와 홀(+)을 생성하고 전극으로 이동해 전기를 생산하는 과정에서 전자와 홀의 이동속도가 일치하지 않아 효율이 급격히 저하되는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 첨가제를 넣게 되는데, 이 첨가제는 부식 위험이 있어 장기적으로 내구성을 떨어뜨린다. 임상혁 교수는 ‘역구조’로 이 문제들을 해결했다. “부식성 첨가제가 필요 없는 방법을 고민한 끝에, 역구조 페로브스카이트 소자 구조를 개발하게 됐다”고 밝힌 임 교수는 “페로브스카이트 태양전지의 가장 큰 문제점으로 생각되던 내구성 저하 해결에 대한 실마리를 제공해 상용화 가능성을 높였다”고 설명했다.

실험적으로 증명해 학계에 알려진 이론 뒤집어
그동안 페로브스카이트 태양전지의 효율을 떨어뜨리는 히스테리시스가 나타나는 원인과 해결책이 명확하지 않았다. 학계에는 물질 자체 문제로 고온 공정을 거치는 다공성 이산화티탄이 반드시 필요하다고 알려져 있는데, 이 경우 고온 공정으로 발전단가가 올라간다. 반면, 임상혁 교수 연구팀은 물질 자체의 문제가 아니라, 생성된 전자와 홀의 이동속도 차이에 의한 내부 정체 현상이 원인이라고 주장해왔다. 연구팀은 고온 공정이 필요 없는 평판형 타입의 페로브스카이트 태양전지에서도 히스테리시스를 없앨 수 있다고 판단, 이번 논문에서 실험적으로 증명해냈다. 상온·저온(150℃) 공정을 통한 페로브스카이트 태양전지 제작 가능성을 보여 발전단가를 낮출 수 있는 계기를 마련한 것이다. 

임상혁 교수는 “페로브스카이트 태양전지 연구는 4~5년 전에 시작했고, 그 전에 정부 연구비를 지원받아 반도체 및 양자점 감응형 태양전지와 광검출 소자를 연구하면서 차세대 태양전지에 관한 폭넓은 지식과 경험을 쌓았다”며 “그 경험을 통해 히스테리시스 해결에 관한 새로운 접근 방법을 생각해낼 수 있었다”고 밝혔다.

임상혁 교수가 새로운 방법을 찾아낼 수 있었던 것은 자신이 쌓아온 지식과 경험을 믿었기 때문이다. “논문은 자신의 생각을 논리적으로 보여주는 것이기 때문에 진리가 될 수도 있고, 그렇지 않을 수도 있다”면서 “자신이 배운 지식과 경험을 바탕으로 한 주장이 옳다고 생각하면 논리적으로 증명하면 된다”고 말했다. 학생들에게도 이 같이 가르치며 아주 기초적인 것부터 질문하고 왜 그 방법을 이용했는지, 왜 다른 방법은 사용하지 않았는지 고민하도록 한다. 또한 다른 사람들이 안 된다고 한 방법은 왜 안 되는지 실험을 해보도록 하는 등 다양한 연구 접근 방법을 통해 새로운 연구 방향을 정할 수 있도록 하고 있다.   

학부생 연구·예비대학 프로그램 등으로 학부생 연구 참여
연구에 참여한 한혜지 학생은 “실험하고 결과를 얻는 것이 좋아서 막연히 연구에 관심을 갖고 있다가 학부생 연구와 예비대학 프로그램을 통해 연구의 재미를 알게 됐다”고 말했다. 학부생 연구는 교수 실험실에서 연구를 수행할 수 있는 기회를 제공, 학부생의 연구 참여를 확대하기 위해 도입됐고, 예비대학은 대학원 진학을 앞둔 학부생이 4학년 2학기부터 선입학해 연구를 일찍 시작할 수 있도록 한 프로그램이다. 임상혁 교수는 “학부생 연구와 예비대학과 같은 프로그램은 학생들이 연구에 관심을 가질 수 있도록 하는 한편, 진로에 확신을 가질 수 있도록 하고, 경쟁력을 갖춘 인재로 성장하는 데 도움이 된다”고 설명했다.
 
이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(선도연구센터, 중견연구자지원)과 원천기술개발사업(글로벌프론티어) 지원으로 진행됐다.