이 초박형 태양열 기술은 휴대전화부터 고층 빌딩까지 모든 것에 전력을 공급할 수 있습니다.

포름아미디늄 납 요오드화물은 할로겐화물 페로브스카이트 계열에서 가장 성능이 뛰어난 소재 중 하나로 여겨지며, 미래 태양 전지 기술에 유망한 특성을 가지고 있습니다. 찰머스 대학의 새로운 연구 결과는 이 소재의 구조에 대한 실마리를 제공할 수 있으며, 이는 소재를 설계하고 제어하는 ​​데 매우 중요합니다. 출처: 찰머스 공과대학교

전 세계 전기 사용량이 급증하고 있으며, 지속 가능한 방식으로 해결해야 합니다. 새로운 소재를 개발하면 현재보다 훨씬 효율적인 태양 전지 소재를 얻을 수 있습니다. 매우 얇고 유연하여 휴대폰이나 건물 전체를 감싸는 소재가 될 수 있습니다. 스웨덴 찰머스 공과대학교 연구진은 컴퓨터 시뮬레이션과 머신러닝을 활용하여 가장 유망하지만 난해하기로 악명 높은 소재 중 하나인 할로겐화물 페로브스카이트를 이해하고 다루는 데 중요한 진전을 이루었습니다.

전 세계적으로 전기 사용량이 꾸준히 증가하고 있으며, 국제 에너지 기구에 따르면 전 세계 총 에너지 소비량에서 전기가 차지하는 비중은 현재 20%에서 25년 안에 50%를 넘어설 것으로 예상됩니다.

"수요를 충족하기 위해 더욱 효율적인 태양 전지와 같은 새롭고 환경 친화적이며 효율적인 에너지 변환 방법에 대한 수요가 상당히 증가하고 있습니다. 저희 연구 결과는 가장 유망한 태양 전지 소재 중 하나를 최적의 활용을 위해 설계하고 제어하는 ​​데 필수적입니다. 불과 몇 년 전까지만 해도 해결되지 않았던 의문에 답을 줄 수 있는 시뮬레이션 방법을 개발하게 되어 매우 기쁩니다."라고 이 연구의 책임 연구원이자 찰머스 대학교 부교수인 줄리아 빅토르는 말했습니다.

효율적인 태양 전지를 위한 유망한 소재

할로겐화물 페로브스카이트라는 그룹에 속하는 물질은 빛을 매우 효율적으로 흡수하고 방출하기 때문에 비용 효율적이고 유연하며 가벼운 태양 전지와 LED 전구와 같은 광전자 소자를 생산하는 데 가장 유망한 것으로 여겨집니다. 그러나 페로브스카이트 물질은 빠르게 분해될 수 있으며, 이를 가장 효과적으로 활용하려면 이러한 분해 과정과 그 원리에 대한 심도 깊은 이해가 필요합니다.

과학자들은 이 그룹 내의 특정 물질, 즉 포름아미디늄 납 요오드화물이라는 결정질 화합물을 이해하기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다. 이 물질은 뛰어난 광전자적 특성을 가지고 있습니다. 이 물질의 불안정성 때문에 활용 범위가 제한되어 왔지만, 두 종류의 할로겐화물 페로브스카이트를 혼합하면 이 문제를 해결할 수 있습니다. 그러나 연구자들이 혼합물을 가장 효과적으로 제어할 수 있도록 두 종류에 대한 더 많은 지식이 필요합니다.

재료 설계 및 제어의 핵심

찰머스 대학의 한 연구팀이 이제 실험만으로는 설명하기 어려웠던 재료의 중요한 상(phase)에 대한 상세한 설명을 제공할 수 있게 되었습니다. 이 상을 이해하는 것은 이 재료와 이를 기반으로 한 혼합물을 설계하고 제어하는 ​​데 필수적입니다. 이 연구는 최근 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재되었습니다.

찰머스 연구원인 상기타 두타는 "이 물질의 저온 단계는 오랫동안 연구 퍼즐의 빠진 조각이었으며, 이제 우리는 이 단계의 구조에 대한 근본적인 의문을 해결했습니다."라고 말했습니다.

머신러닝이 획기적인 발전에 기여했습니다.

연구진의 전문성은 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다양한 재료의 정확한 모델을 구축하는 데 있습니다. 이를 통해 연구진은 재료를 다양한 상황에 노출시켜 시험하고, 이를 실험적으로 검증합니다.

그럼에도 불구하고, 할로겐화물 페로브스카이트 계열의 물질을 모델링하는 것은 까다롭습니다. 그 특성을 포착하고 디코딩하려면 강력한 슈퍼컴퓨터와 긴 시뮬레이션 시간이 필요하기 때문입니다.

"표준 방법과 머신 러닝을 결합함으로써 이전보다 수천 배 더 긴 시뮬레이션을 실행할 수 있게 되었습니다. 또한, 이제 우리 모델은 수백 개가 아닌 수백만 개의 원자를 포함할 수 있게 되어 실제 세계에 더 가까워졌습니다."라고 두타는 말합니다.

실험실 관찰 결과는 시뮬레이션과 일치합니다.

연구진은 저온에서 포름아미디늄 납 요오드의 구조를 규명했습니다. 또한 재료가 냉각되는 동안 포름아미디늄 분자가 준안정 상태에 고정되는 것을 관찰했습니다. 연구 모델이 실제 상황을 반영하는지 확인하기 위해 버밍엄 대학교의 실험 연구진과 협력했습니다. 실험 결과가 시뮬레이션 결과와 일치하는지 확인하기 위해 재료를 최대 200°C까지 냉각했습니다.

찰머스 대학교 물리학과의 에릭 프란슨은 "시뮬레이션을 통해 얻은 통찰력이 앞으로 복잡한 할로겐화물 페로브스카이트 소재를 모델링하고 분석하는 방법에 기여할 수 있기를 바랍니다."라고 말했습니다.

연구에 대한 자세한 내용:

"기계 학습 전위를 이용한 FAPbI 3 의 저온 상(Revealing the Low Temperature Phase of FAPbI 3 using A Machine-Learned Potential)"이라는 논문은 2025년 8월 14 일 미국 화학회지(Journal of the American Chemical Society)에 게재되었으며, Sangita Dutta, Erik Fransson, Tobias Hainer, Benjamin M. Gallant, Dominik J. Kubicki, Paul Erhart, Julia Wiktor가 공동 집필했습니다. 연구진은 모두 찰머스 공과대학교 물리학과 소속이며, Gallant와 Kubicki는 버밍엄 대학교 화학과 소속입니다.

이 연구는 스웨덴 전략 연구 재단, 스웨덴 에너지청, 스웨덴 연구 위원회, 유럽 연구 위원회, 크누트 앤 앨리스 발렌버그 재단, 그리고 찰머스 공과대학교 나노 첨단 연구 분야의 지원을 받았습니다. 계산은 C3SE 산하 스웨덴 국립 슈퍼컴퓨팅 학술 인프라(NAISS)의 지원을 받았습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/10/251001092218.htm