기존 산화물에 기반한 태양전지는 이러한 특성에도 불구하고 낮은 출력과 효율이 낮았다. 최근 국내 연구진이 산화물 기반 태양전지의 안전성과 효율을 높일 수 있는 방안을 찾아내고, 이에 활용될 수 있는 새로운 산화물 재료들을 다수 제시했다.

KIST(원장 이병권)는 김동훈 계산과학연구센터 박사팀이 장현명 POSTECH 교수팀과의 공동연구를 통해 비스무스-철-크롬계 산화물 재료(Bi2FeCrO6)가 이중 페로브스카이트(Double perovskite) 결정구조를 가질 때 전자(electron)의 수명이 연장되는 현상을 규명하고, 태양전지 전력 생성량이 증가할 수 있다는 사실을 알아냈다고 27일 밝혔다. 

KIST-포스텍 공동 연구진은 전자의 거동을 살펴볼 수 있는 계산법인 범밀도함수론을 활용해 이중 페로브스카이트 구조의 산화물 물질 내에서 전자-정공 분리(electron-hole separation) 현상이 일어난다는 사실을 알아냈다.

연구진은 이와 함께 전자와 정공이 공간적으로 분리되면 전자의 수명이 늘어나고, 기존 단일 페로브스카이트 산화물 재료를 태양전지에 사용했을 때보다 약 1000배 이상 높은 전류값을 출력할 수 있음을 증명했다.

이어 연구진은 양자계산을 활용한 고속대량 스크리닝 기술로 약 1000여개의 이중 페로브스카이트 산화물 재료물성의 데이터베이스를 구축하고, ▲Bi2TiVO6 ▲Bi2VCuO6 ▲Bi2CoCrO6 ▲Bi2MnCoO6 ▲Bi2FeVO6 등 5가지 산화물재료를 제시했다. 

연구진은 재료물성의 빅데이터를 수집·활용해 태양전지용 신소재 개발을 가속화시켰다는 점에서 의미가 있으며, 향후 산화물 재료가 태양전지의 유망재료로 활용되어 차세대 태양전지 상용화에 활용되기를 기대하고 있다. 

김동훈 KIST 박사는 "새롭게 제시된 산화물 소재들은 기존 실리콘 소재와 달리 밴드갭을 넘어 큰 전압출력이 가능하다는 장점이 있다"라면서 "태양전지 효율의 이론적 한계치를 넘어서는 것도 가능해질 것"이라고 말했다. 

이번 연구는 김동훈 KIST 박사, 장현명 POSTECH 교수의 공동지도하에 김동훈 스위스 취리히 연방공대 학생이 제1저자로 참여했다.

연구는 과학기술정보통신부, KIST 기관고유사업, 한국연구재단의 지원을 받았다. 연구결과는 미국 국립과학원 회보(PNAS) 최신호에 게재됐다.