[테크월드=조명의 기자]
성균관대학교 신소재공학부 정현석 교수 연구팀(제1저자 박소연 박사)은 세종대학교 김동회 교수(교신저자), 경북대학교 박지상 교수(제1저자) 등 공동 연구팀과 함께 페로브스카이트 태양전지 상업화의 주 걸림돌인 환경 규제에서 벗어나기 위해 납 폐기물 제어를 포함한 페로브스카이트 태양전지 재활용 기술을 개발했다고 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 상업화된 박막형 태양전지(다결정 실리콘 태양전지, CdTe, CIGS 등)의 한계인 25% 효율을 넘겼으며, 상용화될 차세대 태양전지 연구의 최전선에 있다고 여겨지고 있다.
하지만 페로브스카이트 태양전지가 시장에서 활용되기 위해서는 친환경 문제를 해결해야 한다. 페로브스카이트 광흡수체가 중금속 물질인 납을 주요 원료로 쓰고 있기 때문이다. 그동안의 연구들은 이를 해결하기 위해 납을 대체할 수 있는 소재를 찾는데 집중했으나, 납을 포함한 페로브스카이트 태양전지보다 현저히 낮은 효율을 보여 근본적인 해결책을 제시하지 못했다.
이에 연구진은 페로브스카이트 태양전지 제작 공정·수명을 다한 페로브스카이트 태양전지 재활용 과정에서 발생하는 납 폐기물 처리·재활용 공정 개발에 집중했다.
특히 페로브스카이트 태양전지 제작 공정·재활용 시 발생하는 납 폐기물은 주로 극성 비양자성 용매이며 용액 내 납 이온이 양전하를 지니고 있다는 점에 주목해, 표면 흡착 메커니즘을 통해 납이온을 흡착/제거가 가능하며 인공뼈 소재로도 주목받아온 친환경 소재인 수산화아파타이트(Hydroxyapatite)를 납흡착제로 도입했다.
연구진은 납 이온 흡착 특성 향상·납 성분 수거 공정 수월성을 확보하기 위해 표면개질된 자성의 수산화아파타이트 복합체를 합성하는 데 성공했으며, 미 환경보호청 납 기준치(15ppb 이하)를 만족시킬 수 있는 수준으로 폐기물 내의 납 성분을 제거하는 효율을 달성했다.
나아가 연구진은 수산화아파타이트와 페로브스카이트 제작의 주요 성분인 PbI2와 pH에 따른 용해도가 극명한 차이가 있다는 점을 이용해 납이온이 흡착된 수산화아파타이트에서 납이온을 분리해 내고 99.97% 수율로 PbI2를 재생산하는데 성공했으며, 페로브스카이트 태양전지 제작 시 재생산된 PbI2는 상용 PbI2와 유사한 성능을 보임을 확인했다.
연구진의 기술은 유해화학물질을 활용한 기술·연구의 상업화 과정에서 필수불가결한 기술로, 페로브스카이트 태양전지 상업화에 이바지할 뿐만 아니라 우수한 성능은 확인됐지만 환경 규제에 의해 상업화가 되지 못한 많은 기술들에 새로운 연구 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.
본 연구는 국방과학연구소 미래도전기술사업, 글로벌 프론티어 사업, 자연모사혁신기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, 한국연구재단 기본연구사업의 지원으로 수행됐으며, 연구성과는 국제학술지 ‘네이처 서스테인어빌리티’에 8월 4일 게재됐다.
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