충북대 김도형 교수팀, 무기 페로브스카이트 태양전지 방사선 내성 규명

[이재기 기자]

(제공=충북대학교)

(청주=국제뉴스) 이재기 기자 = 충북대학교(총장 직무대리 박유식) 신소재공학과 김도형 교수가 공동교신저자로 참여한 국제 공동연구팀이 차세대 우주 태양전지 후보로 주목받는 무기 페로브스카이트 태양전지의 방사선 내성을 실험적으로 규명했다.

이번 연구는 'Experimental Validation of Strong Proton Radiation Tolerance of Surface-Treated All-Inorganic CsPbI₃ Perovskite Solar Cells for Space Applications'라는 제목으로 국제 학술지 Nano Letters(ACS Publications)에 1월 20일자로 온라인 게재됐다. 연구 결과의 중요성을 인정받아 해당 논문은 Supplementary Journal Cover 이미지 논문으로도 선정됐다.

차세대 우주용 태양전지는 높은 방사선 내성과 함께 경량·고효율 특성, 저비용 대면적 제조 가능성이 핵심 요건으로 꼽힌다. 이 가운데 무기 할라이드 페로브스카이트(CsPbI3)는 높은 열 안정성과 우수한 광·전자 이동 특성으로 주목받아 왔으나 상(phase) 불안정성과 효율 격차로 인해 유무기 페로브스카이트 대비 개발에 제약이 존재해 왔다. 이에 따라 표면·계면 패시베이션과 저차원(2D) 구조 도입을 통한 성능 개선 연구가 지속적으로 진행돼 왔다.

연구팀은 옥틸암모늄 아이오다이드(Octylammonium iodide, OAI)를 이용해 준(準) 2차원 패시베이션 층을 형성한 태양전지 소자와 페네틸암모늄 아이오다이드(Phenethylammonium iodide, PEAI)를 활용해 분자 양이온 층을 형성한 소자를 제작해 비교 평가했다. 두 소자는 동일 조건에서 양성자 방사선 조사를 거쳐 성능 변화를 분석했다.

그 결과, 0.05 MeV 에너지에서 2×1014 protons/cm²에 달하는 혹독한 양성자 조사 이후에도 OAI 처리 소자는 초기 대비 효율 저하가 19% 수준에 그친 것으로 나타났다. 반면 PEAI 처리 소자의 경우 조사 이후 표면 전위의 공간적 편차가 크게 증가하며 소자 성능이 현저히 저하된 것으로 분석됐다.

연구진은 이러한 결과가 무기 페로브스카이트 태양전지가 우주 방사선 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있음을 실험적으로 뒷받침한다고 설명했다. 특히 저온 공정으로 구현 가능한 OAI 기반 2D 패시베이션이 실용적인 내방사선화 전략이 될 수 있음을 제시했다는 점에서 의미가 있다는 평가다.

이번 논문에는 김도형 교수를 비롯해 University of New South Wales(UNSW)의 심홍재 박사와 한국에너지기술연구원(KIER) 김주원 연구원이 공동 제1저자로 참여했다. 공동교신저자로는 University of Surrey 윤재성 교수와 안양대 박주형 교수가 이름을 올렸다. 이외에도 서울시립대, 전남대, 경상국립대 등 국내 여러 대학과 연구기관이 연구에 참여했다.

연구팀은 OAI 기반 국소 2D 패시베이션을 통해 결함 민감도와 표면 전위 교란을 동시에 제어함으로써 저궤도 등 고방사선 환경에서도 출력 유지가 가능함을 실증했으며 이번 성과가 소형위성 및 큐브샛 전력원의 신뢰성 향상과 향후 탠덤 구조 및 초경량 태양전지 모듈로의 확장 가능성으로 이어질 수 있을 것으로 보고 있다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술연구원, 충북대학교 BK21 Four 사업 등 국내외 주요 연구 지원 사업의 지원을 받아 수행됐다.

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