궤도 320년치 '알파입자' 맞아도 효율 80% 유지…경상국립대 이다슬·박종성 교수 연구팀, 우주용 태양전지 보호막 기술 개발
-방사선이 표면에 만든 결함이 성능 떨어뜨리는 원리 밝히고, 표면 '보호막'으로 억제
-충남대·한국원자력연구원 공동연구…우주용 태양전지 내구성 높일 설계 방향 제시
경상국립대(총장 권진회) 미래융복합기술연구소 이다슬 학술연구교수와 에너지공학과 박종성 교수 연구팀이 우주 방사선의 하나인 알파입자가 페로브스카이트(Perovskite, 특정 결정 구조를 가진 화합물) 태양전지의 성능을 떨어뜨리는 원리를 규명하고, 표면 보호층을 적용해 효율 손실을 절반 수준으로 줄였다. 충남대·한국원자력연구원과 공동으로 수행한 이번 연구에서, 표면 보호층을 적용한 태양전지는 궤도에서 약 320년간 누적되는 방사선량에 해당하는 가속 시험 뒤에도 초기 효율의 80%를 유지했다.
최근 저궤도(LEO, Low Earth Orbit) 위성군 구축과 심우주 탐사가 확대되면서 가볍고 효율이 높은 우주용 태양전지의 중요성이 커지고 있다. 위성의 태양전지는 운용 기간 내내 고에너지 방사선에 노출되기 때문에 방사선 내구성 확보가 상용화의 관건으로 꼽힌다. 알파입자는 우주 방사선에서 양성자 다음으로 많은 약 12%를 차지하며, 양성자보다 질량은 4배, 전하는 2배 커서 입자 하나가 일으키는 손상이 훨씬 크다. 그러나 페로브스카이트 태양전지의 방사선 내성은 지금까지 대부분 양성자 조사 실험으로 평가돼 왔고, 알파입자의 영향을 다룬 연구는 드물었다.
연구팀은 위성 커버글라스를 통과한 뒤 남는 에너지 수준인 2.5 MeV(메가전자볼트) 알파입자를 1×10¹¹ cm⁻² 선량으로 태양전지에 조사했다. 이는 궤도에서 약 320년 동안 누적되는 방사선량에 해당하는 가속 시험이다. 그 결과 표면 보호층이 없는 소자는 초기 효율의 60%만 유지한 반면, 프로판-1,3-다이암모늄 아이오다이드(PDAI₂)로 표면을 처리한 소자는 80%를 유지해 효율 손실을 절반 수준으로 줄였다.
연구팀은 다양한 전기적·광학적 분석을 통해 성능 저하의 원인도 밝혔다. 알파입자 조사 이후에도 페로브스카이트의 결정 구조는 유지됐으며, 성능 저하는 주로 표면과 계면에 생긴 전하 포획 결함(트랩)이 전하의 이동을 방해하면서 나타났다. PDAI₂는 표면의 결함 부위와 결합하고 유기 양이온을 단단히 붙잡아, 방사선으로 생긴 결함이 해로운 트랩으로 굳어지는 것을 막는 것으로 확인됐다. 이번 결과는 우주용 페로브스카이트 태양전지의 방사선 내성을 높이려면 표면 결함 제어가 핵심 설계 요소가 될 수 있음을 보여준다.
이번 연구는 한국연구재단, 한국에너지기술평가원(KETEP) 등의 지원으로 수행됐으며, 그 결과는 「Surface Passivation Suppresses α-Particle-Induced Trap Formation in Perovskite Solar Cells for Space Applications」라는 제목으로 미국화학회(American Chemical Society, ACS)가 발행하는 에너지 분야 국제학술지 《ACS Energy Letters》(IF 17.5, JCR 에너지·연료 분야 상위 6.0%, 2025 JCR 기준)에 게재됐다.
이번 성과는 우주·방산 산업이 집적된 경상남도에서 나온 우주용 태양전지 원천기술이라는 점에서도 의미가 있다. 경남 사천에는 2024년 우주항공청(KASA)이 개청했다. 경상국립대는 축적해 온 우주 방사선 평가 역량을 바탕으로 우주용 태양전지 기술의 지역 거점 역할을 강화해 나갈 계획이다.
박종성 교수는 "양성자보다 파괴력이 큰 알파입자가 페로브스카이트 태양전지를 어떻게 손상시키는지 체계적으로 밝히고, 표면 결함 제어로 그 손상을 크게 줄일 수 있음을 확인했다"라며 "다양한 우주 방사선 환경에서 신뢰성을 갖춘 국산 우주용 태양전지 개발에 기여하겠다"라고 밝혔다.
■ 논문 정보
·논문명: Surface Passivation Suppresses α-Particle-Induced Trap Formation in Perovskite Solar Cells for Space Applications
·게재 학술지: 《ACS Energy Letters》
·Journal Link: https://doi.org/10.1021/acsenergylett.6c02610
·사진 설명: 1. (왼쪽부터) 이다슬 학술연구교수, 박종성 교수 2. 알파입자 조사에 따른 페로브스카이트 태양전지 결함 형성과 PDAI₂ 표면 보호 메커니즘 모식도
·내용 문의: 에너지공학과 박종성 교수 | 연락처: 055-772-3831
