신소재공학부 정현석 교수 연구팀,
페로브스카이트 태양전지 시장 진입 가시화를 위한 납 폐기물 제어 기술 개발
- 페로브스카이트 태양전지 제작 공정 시 배출되는 납 폐기물 재활용 기술 제공
- 페로브스카이트 납 폐기물의 환경적 경계심 완화 기대

[그림1] 자성 수산화아파타이트의 강화된 납흡착 원리를 보여준다. 이를 활용하여 납이 들은 폐기물을 가정하여 정화한 결과,

 그림 2에서 보는 것과 같이 미 환경보호청 기준치인 15 ppb 이하의 정화율을 달성하였다.

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. 그 동안의 연구들은 이를 해결하기 위해 납을 대체할 수 있는 소재를 찾는데 집중하였으나, 납을 포함한 페로브스카이트 태양전지보다 현저히 낮은 효율을 보여 근본적인 해결책을 제시하지 못했다.

이에 연구진은 페로브스카이트 태양전지 제작 공정 및 수명을 다한 페로브스카이트 태양전지 재활용 과정에서 발생하는 납 폐기물 처리 및 재활용 공정 개발에 집중하였다. 특히 페로브스카이트 태양전지 제작 공정 및 재활용 시 발생하는 납 폐기물은 주로 극성 비양자성 용매이며 용액 내 납 이온이 양전하를 지니고 있다는 점에 주목하여, 표면 흡착 메커니즘을 통해 납이온을 흡착/제거가 가능하며 인공뼈 소재로도 주목받아온 친환경 소재인 수산화아파타이트(Hydroxyapatite)를 납흡착제로 도입하였다. 

[그림2] 페로브스카이트 태양전지의 재활용 공정을 나타내었다. 이 페로브스카이트 재활용 공정은 페로브스카이트 태양전지를 제작하는 단계, 

하부 기판을 재활용하는 단계, 페로브스카이트 납 폐기물 내 납 성분을 제거하는 단계, 납 폐기물 내 납 성분을 재활용하는 단계로 이루어져있다.

연구진은 납 이온 흡착 특성 향상 및 납 성분 수거 공정 수월성을 확보하기 위해 표면개질된 자성의 수산화아파타이트 복합체를 합성하는 데 성공하였으며, 미 환경보호청 납 기준치(15 ppb 이하)를 만족시킬 수 있는 수준으로 폐기물 내의 납 성분을 제거하는 효율을 달성하였다.

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 성공하였으며, 페로브스카이트 태양전지 제작 시 재생산된 PbI2는 상용 PbI2와 유사한 성능을 보임을 확인하였다. 

연구진의 기술은 유해화학물질을 활용한 기술 및 연구의 상업화 과정에서 필수불가결한 기술로, 페로브스카이트 태양전지 상업화에 이바지할 뿐만 아니라 우수한 성능은 확인되었지만 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 수행되었으며, 연구 성과는 국제학술지 '네이처 서스테인어빌리티 (Nature Sustainability)' 에 8.4(화) 게재되었다.
    ※ 논문명 : Sustainable lead management in halide perovskite solar cells