↑↑ 왼쪽부터 DGIST 에너지공학과 최종민 교수와, 용태영 박사과정생. DGIST 제공

DGIST(총장 이건우) 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 문병준 박사와의 공동연구를 통해 수소 결합 첨가제를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 성능을 크게 개선하는 방법을 개발했다.

이 연구는 수소 결합을 통해 태양전지 재료가 더 오래 유지되도록 하며, 태양전지의 효율성과 안정성을 동시에 잡았다.

페로브스카이트는 태양전지의 유망한 소재로 주목받고 있다. 빛을 전기로 전환하는 효율이 높고 대량생산이 용이하다는 장점을 갖고 있지만, 제조 시 사용하는 용액이 시간이 지나면 이온들이 분해되며 불순물이 생긴다는 단점이 있다. 이렇게 오래된 용액으로 만든 태양전지는 성능이 떨어질 수 있으며, 높은 온도에서는 이온들이 더 빠르게 변화해 성능 저하가 가속화될 수 있다.

최종민 교수 연구팀은 이런 문제를 해결하기 위해 수소 결합이 가능한 첨가제를 페로브스카이트 용액에 추가했다. 이 첨가제는 유기물과 수소 결합을 만들어 태양전지에 들어가는 중요한 성분이 쉽게 변하지 않도록 보호해준다. 연구팀은 컴퓨터 모델링을 통해 이 수소 결합이 성분을 오랫동안 안정적으로 유지할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 140일 동안 보관한 오래된 용액으로 만든 태양전지도 새로 만든 용액과 거의 같은 효율(96.7%)를 유지할 수 있었다.

이 첨가제는 태양전지 안에서 생길 수 있는 결함을 줄여 태양전지 성능을 더욱 높였다. 이를 통해 태양전지 전력 변환 효율이 기존 22.61%에서 24.31%로 향상됐다. 실험 결과, 이 태양전지는 85도의 높은 온도에서 72.5일 동안 사용해도 초기 성능의 98% 이상을 유지하는 뛰어난 안정성을 보여주었다.

최종민 교수는 “이번 연구를 통해 기존의 페로브스카이트 용액 기반 공정에서 이온이 쉽게 망가지는 문제를 수소 결합을 이용한 첨가제를 통해 해결할 수 있다는 것을 밝혀냈다”며, “이 첨가제가 태양전지가 상용화 되는 데 꼭 해결해야만 하는 열적 불안정성 문제를 개선하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대한다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 DGIST 에너지공학과 용태영 박사과정생의 주도로 DGIST최종민 교수, KIST문병준 박사 공동 연구결과다. 또한, 연구는 국가과학기술연구회의 창의형 융합연구사업, DGIST R&D Program및 한국과학기술연구원의 기관 프로그램의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 2024년 9월13일 세계적 국제 학술지 'Energy & Environmental Science(Impact Factor: 32.4)'에 온라인 게재됐으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.