KIST(원장 직무대행 윤석진)는 이정훈 계산과학연구센터 박사팀이 Jeffrey B. Neaton UC Berkeley 물리학과 교수팀과 공동연구를 통해 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 충격을 받을 때 발생하는 성능 저하 원인을 이론적으로 규명했다고 18일 밝혔다.

태양전지는 일반 생활에서뿐만 아니라 대기권, 우주, 사막과 같은 극한 환경에서도 많이 사용된다. 높은 효율과 저렴한 생산비용으로 주목받고 있는 하이브리드 페로브스카이트 태양전지는 기존 상용화돼 있는 값비싼 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 각광받고 있다. 

하지만 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 외부의 높은 압력과 충격을 받았을 때 사방정계 구조에서 입방정계 구조로 변하는 현상과 소자 내에 전기가 흘러 정상적인 기능을 수행하지 못하게 되는 현상이 보고돼 상용화에 큰 어려움이 있다. 이는 외부 압력이 태양전지 성능을 현저히 저하시키는 것을 의미하며 현재까지 그 원인이 명확하게 규명되지 않았다. 

공동연구진은 수퍼컴퓨터를 활용한 양자역학 이론을 통해 외부 압력에 의한 하이브리드 페로브스카이트 태양전지의 구조변화 현상을 이론적으로 증명했다. 연구진은 상 전이 발생 압력을 정확하게 예측해 유기 분자들이 고압력에서 더 높은 안정성을 위해 사방정계 구조보다 입방정계 구조로 유도되는 현상을 밝혀냈다. 또한 연구진은 높은 압력에서 하이브리드 페로브스카이트 원소 중 하나인 납 원자들이 상호작용을 일으켜 금속화 현상을 야기, 전기가 흐르는 원인임을 제시했다.  

이정훈 박사는 "이번 성과는 향후 고성능 하이브리드 페로브스카이트 태양전지 개발·최적화에 있어 새로운 이론적 가이드라인을 제시할 것으로 기대한다"며 "하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 자리매김하는데 기여할 것"이라고 말했다.

이정훈 박사는 현재 후속연구로 하이브리드 페로브스카이트 태양전지에 최적화된 소재를 개발 중이다. 특히 구조변화를 일으키지 않는 유기금속과 금속화현상 원인으로 지목되는 납을 대체할 수 있는 원소를 찾는다면 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 개발에 박차를 가할 수 있을 것으로 예상된다.
 
본 연구결과는 에너지소재 분야 국제학술지인 'ACS Energy Letters' (IF: 16.331, JCR 분야 상위 1.923%) 최신 호에 게재됐으며 과기부 지원으로 수행됐다.