Zr 합금 BaHfS3를 흡수층으로 하는 새로운 칼코게나이드 페로브스카이트 태양전지 구조의 개략도. 출처: 멕시코 케레타로 자치 대학교 연구팀

[뉴스에프엔 김규훈 기자] 멕시코 케레타로 자치 대학교 연구팀은 지르코늄(Zr) 합금이 BaHfS₃ 칼코게나이드 페로브스카이트 태양전지 성능에 미치는 영향을 연구해, 이 물질이 무연, 고효율의 태양광 기술로서 매우 유망하다는 것을 입증했다. 이 연구는 태양전지의 효율성 향상뿐만 아니라 환경 안전성을 고려한 지속 가능한 대안을 제시한다.

태양광 기술에서의 발전은 환경 친화적인 에너지원으로서의 가능성을 더욱 강조하고 있다. 그 중에서도 납 할라이드 페로브스카이트 태양전지(LHPSC)는 단일 접합 장치에서 최대 26.1%의 전력 변환 효율(PCE)을 기록하며 큰 주목을 받았지만, 납의 독성 및 열화 문제 등의 단점이 존재했다. 이러한 문제를 해결하기 위한 연구가 활발히 진행 중인데, 최근 멕시코 케레타로 자치 대학교 연구팀이 새로운 대안을 제시했다.

최근 외신을 종합하면 멕시코 케레타로 자치 대학교 연구팀은 지르코늄(Zr) 합금이 포함된 BaHfS₃ 칼코게나이드 페로브스카이트를 사용하여, 태양광 응용 분야에 적합한 고유한 특성을 지닌 재료를 개발했다. Zr 합금이 포함된 BaHfS₃는 뛰어난 화학적 안정성을 제공하며, 이를 통해 실제 조건에서 장기적인 성능을 유지할 수 있다. 또한, 이 재료는 조정 가능한 밴드갭, 높은 광자 흡수 계수 및 향상된 p형 전도성으로 캐리어 이동성을 개선하고, 효율적인 광전지 성능을 발휘한다.

연구팀은 SCAPS-1D(Solar Cell Capacitance Simulator in One Dimension) 라는 시뮬레이션 도구를 활용하여 BaHfS₃ 및 Zr 합금 변형체를 최적화했다. 이 도구는 실제 조건을 시뮬레이션하고, 흡수체 수용체 밀도, 결함 밀도, 레이어 두께와 같은 중요한 장치 매개변수를 미세 조정하는 데 도움을 주었다.

이 연구에서 BaHfS₃와 Zr 합금 변형체의 사용은 광 흡수를 개선하고, 재결합 손실을 줄이며, 내장 전위를 향상시키는 효과를 가져왔다. 또한, 비방사 재결합 및 전하 전달 저항을 최소화하여, PCE를 눈에 띄게 증가시켰다. 연구팀은 여러 분석 기술(CV 프로파일링, Mott-Schottky 분석, CF 측정 등)을 사용하여 최적화된 태양전지 성능을 비교 분석한 결과, BaHfS₃ 및 Zr 합금에서 20%를 초과하는 PCE를 달성했다.

PCE의 향상은 단락 전류 밀도 증가, 더 큰 준 페르미 레벨 분할, 더 높은 캐리어 생성 속도, 더 강한 전기장, 향상된 양자 효율 및 확장된 캐리어 확산 길이에서 비롯되었다.

이 연구는 BaHfS₃와 Hf/Zr 변형체(BaHf1-xZrxS₃)가 고성능 무연 칼코게나이드 페로브스카이트 태양전지 흡수제로서 매우 유망한 가능성을 가진 재료임을 입증하며, 향후 태양광 기술의 효율성 및 환경 안전성 개선에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다. 연구팀은 이 연구가 재료 과학자와 광전지 연구자들에게 더 많은 관심을 불러일으킬 것이라고 믿고 있다.

이 연구 결과는 무연 태양광 기술에 대한 큰 진전을 이루었으며, 차세대 태양광 기술의 상용화와 환경적 지속 가능성을 확보하는 데 중요한 기초 자료가 될 것으로 전망된다.

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