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물에 강한 페로브스카이트 개발, 청정 태양전지시대 온다

김진호 기자 입력 2018.09.17. 15:50

반도체의 일종인 페로브스카이트는 차세대 친환경 태양전지를 개발하기 위한 핵심 소재지만 표면에서 물과 쉽게 반응해 불안정해진다.

국내 연구진이 이런 페로브스카이트 특성을 고려해 물을 차단하는 방수막 합성법을 개발했다.

김광수 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 특훈교수 연구진은 17일 태양광 전지 표면에 '방수막' 기능을 하는 수산화납 성분을 입혀 물에 닿아도 페로브스카이트의 기본 특징을 온전히 유지하는 데 성공했다고 밝혔다.

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반도체의 일종인 페로브스카이트는 차세대 친환경 태양전지를 개발하기 위한 핵심 소재지만 표면에서 물과 쉽게 반응해 불안정해진다. 국내 연구진이 이런 페로브스카이트 특성을 고려해 물을 차단하는 방수막 합성법을 개발했다. 

김광수 울산과학기술원(UNIST) 자연과학부 특훈교수 연구진은 17일 태양광 전지 표면에 ‘방수막’ 기능을 하는 수산화납 성분을 입혀 물에 닿아도 페로브스카이트의 기본 특징을 온전히 유지하는 데 성공했다고 밝혔다.

물의강한 페로브스카이트의 모습이다. 기존에는 물에서 특성을 잃었지만 연구진이 수산화막 보호막을 씌우자, 물속에 담가도 자외선에 반응해 발광하는 특성을 유지한다. -울산과학기술원 제공

페로브스카이트는 육방면체의 특별한 구조를 가진 반도체 물질이다. 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 특성인 광전 효율이 높아 태양전지의 적합한 소재로 꼽힌다. 김 교수는 “광전효율이 뛰어난 페로브스카이트 소재는 수분과 반응성이 매우 크다”며 “주변에 약간의 습기만 있어도 광전효율이 크게 감소해 안정성 문제가 제기되고 있었다”고 설명했다. 광전효율이 뛰어남에도 태양전지에 바로 적용하기 어려웠던 이유다.

연구진은 ‘염기성 증기 확산법’을 이용해 페로브스카이트 표면에 ‘수산화납 보호막’을 형성하는 합성법을 새롭게 고안했다. 우선 페로브스카이트로 합성할 재료로 사용되는 할로겐화 납을 할로겐화 수소를 녹인 산성 용액에 넣는다. 이를 다시 메틸아민 성분이 든 염기성 용액이 담긴 유리병에 넣고 뚜껑을 닫는다.  이렇게 하면 메틸아민이 증발하면서 자연스럽게 산성 용액 속 재료와 반응한다. 이때 페로브스카이트 표면에는 수산화납으로 이뤄진 얇은 코팅막이 함께 형성된다.

이번 연구 논문의 제1저자인 아타누 자나 연구원은 “각 물질을 처리한 유리병을 10일 정도 두면 자연스럽게 수산화납 보호막을 가진 페로브스카이트가 합성된다”며 “수산화납은 안정적 구조로 인해 물이 침투하지 못한다”고 설명했다.

연구진은 수산화납 보호막을 씌운 페로브스카이트를 물속에 넣고 특성을 관찰한 결과, 자외선을 받아 발광하는 페로브스카이트 본연의 특성을 6개월이상 유지했다. 김 교수는 “‘습한 환경’이라는 조건에서 페로브스카이트를 사용할 가능성을 열었다”며 “태양전지 뿐아니라 발광다이오드(LED), 강유전체소재 등 새로운 산업 분야에도 적용될 수 있을 것”이라고 전망했다.

이번 연구는 미국화학회에서 발행하는 학술지 ‘ACS 에너지’에 8월 13일자에 소개됐다.

 

[김진호 기자 twok@donga.com]