(왼쪽부터) 고려대 화공생명공학과 박진경 연구교수(제1저자), 고려대 이형준 석박통합과정(제1저자), 고려대 임상혁 교수(교신저자), 중국 톈진대 화학공학부 페이 장(Fei Zhang) 교수(교신저자), 중국 톈진대 허진혁 교수(교신저자) ※사진=고려대 제공
무기물로 만든 납·주석 페로브스카이트 태양 전지는 태양광을 낭비 없이 효율적으로 흡수하는 최상의 조건을 제공하는 것으로 알려져 있다. 다만 태양 전지의 핵심 구조인 박막 형성 시 납과 주석 성분의 결정화 속도 차이로 인해 표면에 주석이 과도하게 농축, 불균일한 조성을 띄는 고질적인 문제가 있었다.
이를 해결하려면 태양 전지의 주재료인 납·주석·세슘을 용매에 넣어 녹이고, 유리판 위에 얇고 고르게 도포한 뒤 열을 가해 용매를 증발시켜야 한다. 그래야 남은 원자들이 단단히 결합하며 구조를 이루는 상태(결정화)가 된다. 기존 방식은 이 과정이 길어 주석이 납보다 먼저 결정화되며 성분이 불균일해지는 한계가 있었다.
연구팀은 기존 공정 대비 용매 증발 및 결정화에 이르는 시차를 대폭 단축하는 조성 고정 성장 전략을 도입해 이를 극복했다. 용매의 급속한 증발과 즉각적 결정화를 동시다발적으로 유도, 원자들이 분리될 시간적 여유를 없앤 것이다. 연구팀은 이를 통해 결정화 과정에서 주석과 납이 분리되는 현상을 억제하고, 박막 전체에 걸쳐 균일한 납·주석 조성을 형성하는 데에 성공했다.
이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업 등의 지원을 받아 수행했다. 연구 결과는 재료공학분야 저명 국제학술지(InfoMat)에 게재됐다.
임상혁 교수는 “이번 연구는 박막 성장 경로를 정밀하게 제어하는 기술이 무기 납·주석 페로브스카이트의 성분 불균일성과 산화 문제를 해결할 수 있는 핵심임을 입증했으며, 향후 크기 확장이 가능한 고효율·고안정성 차세대 태양광 소자 상용화에 중요한 기반을 마련할 것”이라고 했다.
