건국대, 우주 양성자 견디는 태양전지 설계 제시

[이데일리 김응열 기자] 건국대 연구팀이 우주 양성자에 노출된 페로브스카이트 태양전지가 손상되는 원인을 세계 최초로 실험을 통해 밝혀냈다.

(왼쪽부터)건국대의 변장원 박사 수료(공동 제1저자), 윤성필 연구원(공동 제1저자), 이만종 교수(단독 교신저자). (사진=건국대)

건국대는 이만종 화학과 교수 연구팀이 우주 양성자 조사로 발생하는 페로브스카이트 태양전지의 비가역적 손상 원인을 세계 최초로 실험적으로 규명했다고 28일 밝혔다. 연구는 성균관대, 경북대, 서울대, 고려대 등과 공동으로 진행됐다.

다결정 페로브스카이트 태양전지는 가볍고 유연하며 방사선에 대한 내구성이 뛰어나다. 이에 기존 위성용 전원과 우주 태양광 발전에 주로 사용되는 고가의 단결정 갈륨비소(GaAs)계 태양전지를 대체할 후보로 주목받고 있다. 그러나 극한 우주 환경에서 양성자에 지속 노출될 경우 돌이킬 수 없는 성능 손상이 발생한다는 점이 한계로 꼽혀왔다.

이를 극복하기 위해 연구팀은 양성자의 에너지와 누적 조사량, 침투 깊이에 따라 태양전지 내부에서 손상이 발생하는 위치와 성능 저하 임계점을 종합적으로 분석했다. 이를 통해 방사선에 의한 태양전지의 성능 저하는 단순히 양성자의 에너지가 높고 낮음에 따라 결정되는 것이 아니라 양성자가 소자 내부 어느 위치에 얼마나 많은 에너지를 전달하는지에 따라 달라진다는 점을 증명했다.

이를 토대로 연구팀은 고분자 소재인 패릴린-C(Parylene-C)를 활용해 1-6μm(마이크로미터) 두께의 초경량 차폐막을 설계하고 성능을 검증했다. 패릴린-C 차폐막은 상온 화학기상증착(CVD) 공정으로 형성했으며 차폐막을 적용한 뒤에도 태양전지의 개방전압과 단락전류, 충전율(FF), 광전 변환 효율(PCE) 등 초기 발전 성능이 거의 동일하게 유지됐다.

이번 연구 결과는 향후 저궤도(LEO) 위성군과 달 탐사선 등 장기간 운용되는 우주 시스템을 위한 페로브스카이트 태양전지 설계와 차세대 우주 전원 기술 개발에 활용될 것으로 예상된다.