전북대학교(총장 양오봉)는 김민 공대 화학공학부(JBNU-KIST산학연융합학과, 에너지-AI융합공학과) 교수팀의 나혜미 석사과정생이 유기 반도체 소재를 활용한 분자 도핑 기술을 적용해 친환경 주석 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 기술 개발에 성공했다고 12일 밝혔다.
기후 위기를 극복하기 위한 차세대 태양전지 기술로 손꼽히는 페로브스카이트 소재는 기존의 납 금속을 포함하고 있어 환경적 이슈가 제기돼 왔다. 최근에는 이 문제를 해결할 수 있는 주석 기반 친환경 페로브스카이트에 관한 연구가 주목을 받고 있다. 하지만 주석의 공기 중 산화 반응을 제어하기 어려워 기존 기술 대비 낮은 광변환 효율과 구동 중 성능 저하가 문제시 되고 있다.
이를 극복하기 위해 김 교수팀은 주석 페로브스카이트 태양전지 소자에 필수적으로 쓰이는 정공 및 전자 수송층에 유연 고분자와 가위 모양의 판상 유기 분자를 각각 도입하는 분자 도핑 모델을 제안했다. 이 소재의 도입으로 태양전지로부터 발생한 전하가 페로브스카이트 내에 갇히지 않고 효율적으로 빠져나와 태양전지 효율을 높일 수 있음을 증명했다.
전하 수송층에 도핑된 유연 고분자는 주석 페로브스카이트의 필름 형성 공정에서 생기기 쉬운 구멍을 없애고, 작은 크기의 결정을 증가시키는 역할을 한다. 가위 모양의 판상 분자는 페로브스카이트 표면을 일정하게 메우면서 동시에 전자의 상호 교환 작용을 통해 수명을 높인다.
김 교수팀은 이 분자들을 주석 페로브스카이트에 쓰이는 다양한 전하 수송층에 적용하여 일괄적인 효과를 검증했다. 검증 결과 최대 21% 이상의 광전변환효율을 보여 기존 대비 10% 이상이 향상됨을 확인했다. 이는 향후 개발된 페로브스카이트 태양 전지에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대되고 있다.
김민 교수는 “차세대 태양전지의 친환경 소재에 관한 연구는 기후위기 극복을 위한 친환경 공정을 위해 필수적인 기술”이라며 “이 기술은 차세대 태양전지 분야에서 다양하게 응용 가능할 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구 성과는 재료 과학 분야 상위 3.7% 이내 국제학술지인 'ACS 에너지 레터'에 논문을 게재했다. 나혜미 석사과정생이 제1저자로 참여했고 이재원 충남대 교수 연구팀과 차효정 경북대 교수 연구팀이 공동으로 참여했다. 한국연구재단 우수신진지원사업과 기후기술인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.
전주=김한식 기자 hskim@etnews.com
