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NEW 김종현 교수 연구팀, 저조도 실내조명으로 전력생산 가능한 태양전지 설계원리 규명
- 2021-09-02
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우리 학교 김종현 교수 연구진이 실내조명으로도 높은 전력을 낼 수 있는 페로브스카이트 태양전지 제작을 위한 새로운 접근법을 개발했다. 이로써 저조도의 실내광으로도 전력생산을 할 수 있는 태양전지 구현이 가능해짐에 따라 실내 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 전자기기의 독립전력공급원으로 활용될 수 있을 전망이다.
김종현 교수(응용화학생명공학과·대학원 분자과학기술학과)는 호주 뉴사우스웨일스 대학교(UNSW) Jan Seidel 교수, Jae Sung Yun 박사 연구팀과의 공동 연구를 통해 실내조명으로 고효율의 전력생산이 가능한 태양전지 핵심 설계원리를 규명하는데 성공했다고 밝혔다.
관련 연구는 ‘실내 저조도 광환경에서 페로브스카이트 태양전지의 전하특성과 이온이동 동역학에 대한 주사탐침현미경 분석(Probing Charge Carrier Properties and Ion Migration Dynamics of Indoor Halide Perovskite PV Devices Using Top- and Bottom-Illumination SPM Studies)’이라는 제목으로 에너지 분야 국제학술지 <어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials), IF:29.368/JCR 상위 2.78%> 8월26일자 온라인판에 게재되었다. 이번 연구에는 아주대 김종현 교수(사진 오른쪽)가 교신저자로, 아주대 대학원 분자과학기술학과 석박사통합과정 신소정 학생(사진 왼쪽)이 제1저자로 참여했다. 지도는 김종현 교수가 맡았다.
태양광에너지를 전기에너지로 바꿔주는 태양전지는 재생에너지 사용확대에 따라 큰 주목을 받고 있다. 기존 태양전지는 태양광에너지의 전기에너지로의 변환 효율을 개선시키는 방향으로 연구·개발되어 왔다. 하지만 최근에는 4차산업혁명의 도래와 함께 스마트팜, 스마트홈, 스마트팩토리 등에 요구되는 실내 IoT 전자기기의 수요가 급격히 증가함에 따라 이들을 구동하기 위한 전력원으로서 실내용 태양전지 개발이 주목받고 있다.
연구팀은 실내조명의 광파장대를 효과적으로 흡수하는 페로브스카이트 소재에 주목했다. 페로브스카이트 소재는 ABX3의 결정구조를 가지는 유무기 하이브리드형 반도체 소재로, 낮은 공정단가로 높은 에너지 전환 효율을 얻을 수 있어 태양전지 분야에서 각광을 받고 있는 소재이다. 연구팀은 페로브스카이트층과 전자수송층의 계면 결함으로 발생하는 그레인 바운더리(Grain boundary, 입계면) 전하트랩들이 실내 저조도 광조사 환경에서 태양전지의 출력값을 급격히 저하시킨다는 것을 밝혀냈다. 이를 기반으로 계면 결함을 최소화할 수 있는 전자수송층을 도입함으로써 실내조명 환경에서 페로브스카이트 태양전지의 출력을 최적화시키는데 성공했다.
연구팀의 이번 성과는 저조도의 광조사 환경에서 고효율로 광-전 에너지 변환을 일으킬 수 있는 태양전지의 핵심 설계원리를 밝혀내고, 실내조명으로도 고출력의 에너지 생산이 가능한 태양전지 개발 방법을 제시했다는 데 의의가 있다.
김종현 교수는 “이번 연구를 통해 저조도 실내조명 광조사 환경에서 페로브스카이트 태양전지의 광전변환효율을 최적화 시킬 수 있는 핵심원리를 밝힐 수 있었다”며 “이러한 원리를 이용하여 개발된 고출력 페로브스카이트 태양전지를 호주 스마트팜 가축헬스케어 IoT센서의 전력공급원으로 도입하는 연구개발을 현재 진행하고 있다.”고 말했다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단의 전략형 국제공동연구사업(한-호주), 대학중점연구소 지원사업(분자과학기술연구센터)과 한국화학연구원 주요사업의 지원을 받아 수행되었다.
<계면 결함 분석과 결함 제어를 통한 페로브스카이트 태양전지의 저조도 출력 최적화 연구결과>