김기환 교수 공동연구팀, 우주용 태양전지 혁신
경상국립대학교 김기환 교수 공동연구팀, 우주용 태양전지 혁신
▸극한 우주환경 견디는 이중층 구조 개발…《커뮤니케이션 엔지니어링》에 발표
▸“세계 최초 우주모사 실시간 열순환 테스트…초기 효율 대비 성능 73% 보존”
경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 연구진이 극한 우주 환경에서도 안정적으로 작동하는 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공했다.
경상국립대학교 공과대학 신소재공학부 김기환 교수, 경상국립대학교 분자제어연구소 송세영 박사, 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김진영 교수, 성균관대학교 에너지과학과 정재기 교수 공동연구팀은 이중층 정공수송층 구조를 개발해 우주 환경의 극심한 온도 변화에도 안정적인 페로브스카이트 태양전지를 구현했다고 밝혔다.
연구 결과는 에너지·소재 분야 국제학술지 《커뮤니케이션스 엔지니어링(Communications Engineering)》에 ‘우주 유사 열환경에서 페로브스카이트 태양전지용 유기계 정공수송층의 계면 안정성 연구(Interfacial Stability of Organic-Based Hole Transport Layers in Perovskite Photovoltaics for Space-like Thermal Environments)’라는 제목으로 게재될 예정이며, 저널 측은 이 논문을 ‘우주 응용 광전지(Photovoltaics for Space Applications)’ 특별 컬렉션에 선정했다.
연구의 제1저자는 경상국립대학교 윤동환 박사과정 연구원, 성균관대 이현서 석사과정 연구원, 경상국립대학교 김하린 석사과정 연구원이고, 경상국립대학교 김기환 교수, 분자제어연구소 송세영 박사, UNIST 김진영 교수, 성균관대 정재기 교수가 교신저자로 참여했다.
페로브스카이트 태양전지는 27%를 넘는 높은 효율과 가벼운 무게로 차세대 우주 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 우주 환경은 가혹하다. 저궤도를 도는 위성은 하루 약 16번씩 영하 185도에서 영상 150도를 오가는 극심한 온도 변화를 겪으며, 여기에 고진공 상태와 강한 우주 태양광이 더해져 소재 간 열팽창 차이로 인한 기계적 스트레스가 발생한다. 페로브스카이트 태양전지는 이러한 우주 환경의 극한 조건에서 매우 치명적이기에 성능과 내구성을 동시에 확보하는 새로운 해결책이 요구된다.
연구팀은 태양전지의 핵심 소재인 정공수송층에 주목했다. 기존 폴리(트리아릴아민)(PTAA) 기반 정공수송층은 열안정성은 우수하지만 효율이 약 20%에 그쳤고, MeO-2PACz 자기조립단분자층(SAM)은 25% 이상의 높은 효율을 보이지만 열순환 과정에서 심각한 성능 저하를 겪었다.
연구팀은 이 두 소재를 순차적으로 적층한 이중층 구조를 새롭게 설계했다. PTAA와 MeO-2PACz를 결합했을 때, 하부의 PTAA층이 기계적 완충재 역할을 하며 열팽창 불일치를 완화하고, 상부의 MeO-2PACz층은 높은 효율을 유지하도록 한 것이다.
연구팀은 세계 최초로 우주모사 환경에서 공전하는 위성의 환경을 기준 삼아 실시간(in-situ) 열순환 테스트 및 태양전지 성능평가를 구현했다. 저궤도 구간 온도 범위에 맞추어 영하 40도에서 영상 90도를 약 15분마다 오가며 유지시간을 30분으로 설정하고, 한 사이클당 1시간 30분으로 진공 상태에서 테스트한 결과, PTAA/MeO-2PACz 이중층 태양전지는 초기 효율 대비 열순환 후 73%의 성능을 보존했다. 이는 단일층 정공수송층 대비 약 30% 이상의 열순환 안정성 향상을 보여준 것이다.
연구팀은 X선 회절(XRD) 분석을 통해 열순환 과정에서 페로브스카이트가 광활성 α상에서 비활성 δ상으로 전환되는 현상을 확인했다. 특히 이중층 구조가 이러한 상전이를 효과적으로 억제하고 한다는 사실을 규명했다.
이번 연구는 세계 최초로 우주모사 환경에서 실시간 열순환 테스트를 구현해 페로브스카이트 태양전지의 열화 메커니즘을 규명하고, 이중층 정공수송층 구조를 통해 효율과 내구성을 동시에 확보하는 실용적 해법을 제시했다는 데 의의가 있다. 특히 소재 간 열팽창 계수 정합성이 우주용 태양전지 설계의 핵심임을 입증해 향후 극한 환경용 페로브스카이트 태양전지 개발에 중요한 지침을 제공했다.
연구팀은 “페로브스카이트 소재뿐만 아니라 소자를 구성하는 모든 박막 간의 유기적인 열적 상호작용을 이해하고, 소재 간 열팽창 계수 최적화가 이루어진다면 우주용 페로브스카이트 태양전지 상용화를 기대할 수 있을 것”이라고 설명했다.
우주모사 환경 장비를 독자적으로 설계하고 보유한 경상국립대학교 김기환 교수는 “이번 연구를 통해 세계 최초로 실시간 열순환 테스트를 구현했다.”라며 “지속적인 후속연구로 효율과 내구성을 동시에 확보한 우주용 페로브스카이트 태양전지를 개발하고, 나아가 우주 태양광 산업의 새로운 지평을 열어가길 기대한다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상부 에너지기술평가원, 경상국립대학교 램프(LAMP) 사업단의 지원으로 수행했다. 연구성과는 국제학술지 《커뮤니케이션 엔지니어링(Communications Engineering》 6월 2일자에 온라인 게재됐고, 이후 공식 출판될 예정이다.
ㅇ 사진 설명: 경상국립대학교 윤동환 연구원, 이현서 연구원, 김하린 연구원, 송세영 박사, 김진영 교수, 김기환 교수, 정재기 교수(왼쪽 위부터)
ㅇ 내용 문의: 경상국립대학교 김기환 교수 055-772-1651
▸극한 우주환경 견디는 이중층 구조 개발…《커뮤니케이션 엔지니어링》에 발표
▸“세계 최초 우주모사 실시간 열순환 테스트…초기 효율 대비 성능 73% 보존”
경상국립대학교(GNU·총장 권진회) 연구진이 극한 우주 환경에서도 안정적으로 작동하는 페로브스카이트 태양전지 개발에 성공했다.
경상국립대학교 공과대학 신소재공학부 김기환 교수, 경상국립대학교 분자제어연구소 송세영 박사, 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 김진영 교수, 성균관대학교 에너지과학과 정재기 교수 공동연구팀은 이중층 정공수송층 구조를 개발해 우주 환경의 극심한 온도 변화에도 안정적인 페로브스카이트 태양전지를 구현했다고 밝혔다.
연구 결과는 에너지·소재 분야 국제학술지 《커뮤니케이션스 엔지니어링(Communications Engineering)》에 ‘우주 유사 열환경에서 페로브스카이트 태양전지용 유기계 정공수송층의 계면 안정성 연구(Interfacial Stability of Organic-Based Hole Transport Layers in Perovskite Photovoltaics for Space-like Thermal Environments)’라는 제목으로 게재될 예정이며, 저널 측은 이 논문을 ‘우주 응용 광전지(Photovoltaics for Space Applications)’ 특별 컬렉션에 선정했다.
연구의 제1저자는 경상국립대학교 윤동환 박사과정 연구원, 성균관대 이현서 석사과정 연구원, 경상국립대학교 김하린 석사과정 연구원이고, 경상국립대학교 김기환 교수, 분자제어연구소 송세영 박사, UNIST 김진영 교수, 성균관대 정재기 교수가 교신저자로 참여했다.
페로브스카이트 태양전지는 27%를 넘는 높은 효율과 가벼운 무게로 차세대 우주 태양전지로 주목받고 있다. 하지만 우주 환경은 가혹하다. 저궤도를 도는 위성은 하루 약 16번씩 영하 185도에서 영상 150도를 오가는 극심한 온도 변화를 겪으며, 여기에 고진공 상태와 강한 우주 태양광이 더해져 소재 간 열팽창 차이로 인한 기계적 스트레스가 발생한다. 페로브스카이트 태양전지는 이러한 우주 환경의 극한 조건에서 매우 치명적이기에 성능과 내구성을 동시에 확보하는 새로운 해결책이 요구된다.
연구팀은 태양전지의 핵심 소재인 정공수송층에 주목했다. 기존 폴리(트리아릴아민)(PTAA) 기반 정공수송층은 열안정성은 우수하지만 효율이 약 20%에 그쳤고, MeO-2PACz 자기조립단분자층(SAM)은 25% 이상의 높은 효율을 보이지만 열순환 과정에서 심각한 성능 저하를 겪었다.
연구팀은 이 두 소재를 순차적으로 적층한 이중층 구조를 새롭게 설계했다. PTAA와 MeO-2PACz를 결합했을 때, 하부의 PTAA층이 기계적 완충재 역할을 하며 열팽창 불일치를 완화하고, 상부의 MeO-2PACz층은 높은 효율을 유지하도록 한 것이다.
연구팀은 세계 최초로 우주모사 환경에서 공전하는 위성의 환경을 기준 삼아 실시간(in-situ) 열순환 테스트 및 태양전지 성능평가를 구현했다. 저궤도 구간 온도 범위에 맞추어 영하 40도에서 영상 90도를 약 15분마다 오가며 유지시간을 30분으로 설정하고, 한 사이클당 1시간 30분으로 진공 상태에서 테스트한 결과, PTAA/MeO-2PACz 이중층 태양전지는 초기 효율 대비 열순환 후 73%의 성능을 보존했다. 이는 단일층 정공수송층 대비 약 30% 이상의 열순환 안정성 향상을 보여준 것이다.
연구팀은 X선 회절(XRD) 분석을 통해 열순환 과정에서 페로브스카이트가 광활성 α상에서 비활성 δ상으로 전환되는 현상을 확인했다. 특히 이중층 구조가 이러한 상전이를 효과적으로 억제하고 한다는 사실을 규명했다.
이번 연구는 세계 최초로 우주모사 환경에서 실시간 열순환 테스트를 구현해 페로브스카이트 태양전지의 열화 메커니즘을 규명하고, 이중층 정공수송층 구조를 통해 효율과 내구성을 동시에 확보하는 실용적 해법을 제시했다는 데 의의가 있다. 특히 소재 간 열팽창 계수 정합성이 우주용 태양전지 설계의 핵심임을 입증해 향후 극한 환경용 페로브스카이트 태양전지 개발에 중요한 지침을 제공했다.
연구팀은 “페로브스카이트 소재뿐만 아니라 소자를 구성하는 모든 박막 간의 유기적인 열적 상호작용을 이해하고, 소재 간 열팽창 계수 최적화가 이루어진다면 우주용 페로브스카이트 태양전지 상용화를 기대할 수 있을 것”이라고 설명했다.
우주모사 환경 장비를 독자적으로 설계하고 보유한 경상국립대학교 김기환 교수는 “이번 연구를 통해 세계 최초로 실시간 열순환 테스트를 구현했다.”라며 “지속적인 후속연구로 효율과 내구성을 동시에 확보한 우주용 페로브스카이트 태양전지를 개발하고, 나아가 우주 태양광 산업의 새로운 지평을 열어가길 기대한다.”라고 밝혔다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 산업통상부 에너지기술평가원, 경상국립대학교 램프(LAMP) 사업단의 지원으로 수행했다. 연구성과는 국제학술지 《커뮤니케이션 엔지니어링(Communications Engineering》 6월 2일자에 온라인 게재됐고, 이후 공식 출판될 예정이다.
ㅇ 사진 설명: 경상국립대학교 윤동환 연구원, 이현서 연구원, 김하린 연구원, 송세영 박사, 김진영 교수, 김기환 교수, 정재기 교수(왼쪽 위부터)
ㅇ 내용 문의: 경상국립대학교 김기환 교수 055-772-1651