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'납(Pb)' 없는 페로브스카이트 개발쾌거!
문현식  |  hjournalist@scientist.town
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승인 2018.12.05  06:35:00
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납 없는 페로브스카이트를 유기염료 감응 태양전지가 시험대에 올려져 있다. 출처: UNIST
납 없는 페로브스카이트를 유기염료 감응 태양전지가 시험대에 올려져 있다. 출처: UNIST

페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물입니다. 최근 납(Pb)을 재료로 사용한 페로브스카이트(Pb-based Perovskite)가 차세대 태양전지 소재로 각광을 받고 있습니다. 값도 싸고 광전효율도 높아서죠.

 

하지만 이런 페로브스카이트는 큰 단점이 하나 있는데요, 바로 납을 쓴다는 겁니다. 납을 쓰면 납 중독이 우려되기도 하고, 대기 중에서는 안정적이지 못해 그동안 상용화가 이뤄지지 않았습니다.

 

이런 단점을 극복하려면 물론 납이 없으면 되겠죠. 그런데 정작 납 없는 페로브스카이트(Pb-free perovskite)는 효율이 현저히 낮아지는 특징이 있습니다. 학자들이 이러지도 저러지도 못한 이유입니다.

 

김병만 박사가 납 없는 페로브스카이트가 적용된 유기염료 감응 태양전지의 효율을 측정하고 있다. 출처: UNIST
김병만 박사가 납 없는 페로브스카이트가 적용된 유기염료 감응 태양전지의 효율을 측정하고 있다. 출처: UNIST

그런데 UNIST 자연과학부 화학과의 권태혁 교수팀이 효율성이 높으면서도 납이 없는 페로브스카이트를 고안했습니다. 유기염료 감응형 태양전지(Dye-Sensitized Solar Cell)에서 전하(Charge)를 전달하는 용도로 납이 없는 페로브스카이트를 사용했습니다.

 

UNIST 연구진이 사용한 페로브스카이트는 납 대신 주석(Sn)을 사용합니다. 납이 없어서 납 중독이 우려되지 않는 것은 물론이고 대기 중에서 안정성도 높아 실제 상용화 가능성이 크다는 것이 UNIST 연구진의 설명입니다.

 

그간 페로브스카이트가 주석을 사용하지 못했던 것은 페로브스카이트에서 전하가 전달되는 원리를 밝히지 못해서였습니다. 연구진이 전하 전달의 원리를 밝혀낸 것이 주석을 사용한 페로브스카이트 개발에 결정적인 역할을 했습니다. 

 

납 없는 페로브스카이트를 필름 형태로 발라 놓은 소자를 들고 있는 연구진. 출처: UNIST
납 없는 페로브스카이트를 필름 형태로 발라 놓은 소자를 들고 있는 연구진. 출처: UNIST

이에 대해 제1저자인 신현오 UNIST 화학과 석박사통합과정 연구원은 "주석을 사용한 페로브스카이트는 다른 물질에서 받아들인 전하가 표면 상태를 통해서 이동하는 성질이 있었다"고 설명했습니다. 표면 상태는 물질 표면에 가까운 원자층(Atom ic Layer)인데, 광학 반도체 물질 내에서 전하가 머물거나 다른 곳으로 이용하는 경로 역할을 합니다.

 

이번 연구는 GIST 방윤수 교수팀도 공동으로 참여했습니다. 연구 결과는 재료화학 분야의 권위지인 <어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)> 11월 30일자 온라인판에 게재됐습니다.

 
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