에너지시스템공학부 강동원 교수 연구팀, 우주 방사선 속 친환경 태양전지의 결함 전이 메커니즘 규명
에너지시스템공학부 강동원 교수 연구팀이 차세대 우주용 태양전지의 유력 후보인 넓은 밴드갭 비납(非鉛) 페로브스카이트 태양전지가 우주 방사선(감마선) 아래에서의 성능 변화 추이를 세계 최초로 규명하는 데 성공했다.
최근 저궤도 위성 시장이 빠르게 성장하면서, 우주에서 안정적으로 전력을 생산할 태양전지에 대한 관심이 크게 높아지고 있다. 그중에서도 비납 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 가벼운 무게, 그리고고 유독성 물질인 납을 쓰지 않는 친환경성 덕분에 유망 소재로 꼽힌다.
하지만 우주의 강한 방사선 환경에서 이 소재가 실제로 어떻게 반응하는지는 그동안 거의 밝혀지지 않았다. 특히 납 대신 주석(Sn)을 사용한 페로브스카이트는 산화·환원 특성이 납 기반 소재와 근본적으로 달라, 방사선에 대한 반응도 다를 것으로 예상됐지만 이를 실험으로 입증한 연구는 없었다.
연구팀은 감마선 조사량을 0부터 500Gy까지 단계적으로 늘려가며 태양전지의 성능 변화를 정밀 분석했다. 그 결과, 방사선량에 따라 소자의 반응이 정반대로 뒤바뀌는 새로운 '방사선 응답 전이(Dose-dependent transition)' 현상을 발견했다.
흥미롭게도 낮은 조사량(100Gy 이하)에서는 오히려 성능이 좋아졌다. 소재 내부의 기존 결함이 완화되면서 에너지 손실이 줄어, 평균 전력변환효율(PCE)이 6.16%에서 6.79%까지 향상된 것이다. 반면 조사량이 일정 수준을 넘어서면(100 Gy 이상) 산화·환원에 의한 열화가 지배적으로 진행되며 성능이 떨어졌다.
연구팀은 XPS·SCLC·PL 등 다각적 분석을 통해 그 원리를 규명했다. 낮은 조사량에서는 주석 이온(Sn⁴⁺)이 일부 환원되며 결함이 줄어들지만, 조사량이 누적될수록 산화와 할라이드 손실이 쌓여 깊은 결함과 격자 손상으로 이어진다는 것이다. 이는 단순한 성능 변화가 아니라, '결함 완화'에서 '산화·환원 열화'로 넘어가는 조사량 의존적 메커니즘임을 보여준다.
이번 성과는 비납 페로브스카이트가 기존 납 기반 소재와는 근본적으로 다른 방사선 응답 특성을 가진다는 사실을 세계 최초로 입증한 것으로, 방사선 환경에서 안정적으로 작동하는 친환경 태양전지 설계의 새로운 이정표가 될 것으로 기대된다. 나아가 우주용 태양전지뿐 아니라, 방사선 환경에서 동작하는 차세대 광전자 소자 개발에도 폭넓게 활용될 수 있다.
강동원 교수는 "이번 연구는 비납 페로브스카이트가 납 기반 소재와 전혀 다른 방사선 응답 메커니즘을 가진다는 사실을 세계 최초로 규명한 것"이라며, "방사선 안정성이 향상된 친환경 우주용 태양전지 개발과 차세대 우주 에너지 시스템 구현의 중요한 토대가 될 것"이라고 밝혔다.
이번 연구는 조성원 박사과정생이 제1 저자로 참여했으며, 에너지 분야 세계 최고 권위 학술지 중 하나인 《ACS Energy Letters》(피인용지수 18.9)에 "Dose-Dependent Transition in Wide-Bandgap Tin-Based Perovskite Solar Cells under Low-Dose γ-Irradiation"라는 제목으로 게재됐다.
이번 연구는 한국연구재단 한우물파기 연구 및 G-Hub 협력허브구축사업의 지원으로 수행됐다.
최근 저궤도 위성 시장이 빠르게 성장하면서, 우주에서 안정적으로 전력을 생산할 태양전지에 대한 관심이 크게 높아지고 있다. 그중에서도 비납 페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 가벼운 무게, 그리고고 유독성 물질인 납을 쓰지 않는 친환경성 덕분에 유망 소재로 꼽힌다.
하지만 우주의 강한 방사선 환경에서 이 소재가 실제로 어떻게 반응하는지는 그동안 거의 밝혀지지 않았다. 특히 납 대신 주석(Sn)을 사용한 페로브스카이트는 산화·환원 특성이 납 기반 소재와 근본적으로 달라, 방사선에 대한 반응도 다를 것으로 예상됐지만 이를 실험으로 입증한 연구는 없었다.
연구팀은 감마선 조사량을 0부터 500Gy까지 단계적으로 늘려가며 태양전지의 성능 변화를 정밀 분석했다. 그 결과, 방사선량에 따라 소자의 반응이 정반대로 뒤바뀌는 새로운 '방사선 응답 전이(Dose-dependent transition)' 현상을 발견했다.
흥미롭게도 낮은 조사량(100Gy 이하)에서는 오히려 성능이 좋아졌다. 소재 내부의 기존 결함이 완화되면서 에너지 손실이 줄어, 평균 전력변환효율(PCE)이 6.16%에서 6.79%까지 향상된 것이다. 반면 조사량이 일정 수준을 넘어서면(100 Gy 이상) 산화·환원에 의한 열화가 지배적으로 진행되며 성능이 떨어졌다.
연구팀은 XPS·SCLC·PL 등 다각적 분석을 통해 그 원리를 규명했다. 낮은 조사량에서는 주석 이온(Sn⁴⁺)이 일부 환원되며 결함이 줄어들지만, 조사량이 누적될수록 산화와 할라이드 손실이 쌓여 깊은 결함과 격자 손상으로 이어진다는 것이다. 이는 단순한 성능 변화가 아니라, '결함 완화'에서 '산화·환원 열화'로 넘어가는 조사량 의존적 메커니즘임을 보여준다.
이번 성과는 비납 페로브스카이트가 기존 납 기반 소재와는 근본적으로 다른 방사선 응답 특성을 가진다는 사실을 세계 최초로 입증한 것으로, 방사선 환경에서 안정적으로 작동하는 친환경 태양전지 설계의 새로운 이정표가 될 것으로 기대된다. 나아가 우주용 태양전지뿐 아니라, 방사선 환경에서 동작하는 차세대 광전자 소자 개발에도 폭넓게 활용될 수 있다.
강동원 교수는 "이번 연구는 비납 페로브스카이트가 납 기반 소재와 전혀 다른 방사선 응답 메커니즘을 가진다는 사실을 세계 최초로 규명한 것"이라며, "방사선 안정성이 향상된 친환경 우주용 태양전지 개발과 차세대 우주 에너지 시스템 구현의 중요한 토대가 될 것"이라고 밝혔다.
이번 연구는 조성원 박사과정생이 제1 저자로 참여했으며, 에너지 분야 세계 최고 권위 학술지 중 하나인 《ACS Energy Letters》(피인용지수 18.9)에 "Dose-Dependent Transition in Wide-Bandgap Tin-Based Perovskite Solar Cells under Low-Dose γ-Irradiation"라는 제목으로 게재됐다.
이번 연구는 한국연구재단 한우물파기 연구 및 G-Hub 협력허브구축사업의 지원으로 수행됐다.