박남규 교수, 개인기초 리더과제 1단계 연구수행 결과,

네이처 및 사이언스 5편 발표

- 과기정통부(연구재단) 지원 리더과제 1단계 연구수행 결과 5편 교신저자로 발표

- 페로브스카이트 태양전지 고효율화, 안정화, 프리커스 대량생산 기술 등 포함

화학공학/고분자공학부 박남규 석좌교수(성균에너지과학기술원장, 교신저자)가 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 개인기초 연구사업 리더과제 1단계 2년 9개월(2021년 6월~2024년 2월) 연구수행 결과 네이처(Nature)에 2편과 사이언스(Science)에 3편을 연구결과를 발표하였다고 밝혔다.

박남규 교수는 네이처에 2편의 논문을 교신저자로 각각 2023년 5월과 11월에 발표하였다. 주요 내용으로는 페로브스카이트 태양전지 납고정화 방법 및 양이온 균등화 기술 관련한 내용이다. 또 사이언스에 총 3편의 논문을 교신저자로 각각 2022년 2월, 2023년 1월 그리고 2024년 2월에 발표하였다. 주요내용으로는 페로브스카이트 광흡수물질 합성 관련하여 유기 양이온의 중요성, 수분안정성이 우수한 크리스탈 패싯 설계 및 고품질 전구체 대량생산 기술 관련 논문이다.

페로브스카이트 태양전지는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 광흡수 소재를 포함하는 태양전지 기술이다. 2012년 박남규 교수팀은 9.7% 효율의 고체 페로브스카이트 태양전지를 최초로 개발하여 ‘페로브스카이트 포토볼타익스’라는 새로운 학문분야를 개척하였다. 세계가 주목하는 페로브스카이트 태양전지 개발 공로로 2017년 클래리베이트는 박남규 교수를 노벨상 수상 후보 연구자로 선정하였다.

네이처에 발표한 연구성과는 다음과 같다.

(1) 페로브스카이트 태양전지 납고정화 기술 (Nature, 617, 687-695 (2023))페로브스카이트 단점인 환경오염 문제를 해결하기 위하여 페로브스카이트 태양전지 성분 중 하나인 납이 밖으로 나오지 않도록 원천적으로 차단할 수 있는 4단계 공정 기술을 제시하여 향후 상용화 기술에 적용할 수 있는 납 고정화 방법론을 제시하였다.

※ 논문명: Lead immoblization for environmentally sustainable perovskite solar cells

※ 저널: Nature

※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41586-023-05938-4

(2) 양이온 균등화 기술 (Nature, 624, 557-563 (2023))소효율 페로브스카이트 태양전지는 12배위를 하는 양이온 자리에 이성분 이상의 복합 양이온을 사용하는데, 페로브스카이트 필름을 형성할 때 일반적으로 양이온들이 필름 내부에 고르게 분포하지 않게 되어 효율 상승이 제한적이었다. 이런 문제를 해결하기 위하여 기능성 첨가제를 사용하여 양이온 분포를 고르게 하는 기술을 통해 26% 수준의 매우 높은 효율을 가지는 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다. 본 연구는 중국과학원(Chinese Academy of Science)의 Xu Pan 교수팀이 주도하고 박남규 교수팀이 공동으로 참여하였다.

※ 논문명: Homogenizing out-of-plane cation composition in perovskite solar cells

※ 저널: Nature

※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41586-023-06784-0

사이언스에 발표한 연구성과는 다음과 같다.

(1) 12배위 유기양이온의 중요성 (Science, 375, eabj1186 (2022))페로브스카이트 태양전지용 광흡수 물질인 페로브스카이트의 광전자 거동과 다이나믹 결정구조에 영향을 미치는 12배위 양이온의 중요성에 대한 초청 리뷰 논문. 본 논문에서 제시하는 연구방향은 고효율 및 우수한 장기안정성을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 설계하는 데 중요하게 기여할 것으로 기대함.

※ 논문명: Rethinking the A cation in halide perovskites

※ 저널: Science

※ 논문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj1186

(2) 수분안정성이 우수한 크리스탈 패싯 설계 (Science, 379, 173–178 (2023))페로브스카이트 필름이 수분에 노출될 경우 수분 안정성이 크리스탈 패싯에 따라 달라진다는 것을 처음으로 발견하였다. 특히 (100) 패싯은 수분에 매우 취약하지만 (111) 패싯은 수분에 안정적이라는 점을 발견하여 (111) 패싯만으로 구성된 필름을 첨가제 공법으로 제작하여 수분에 안정한 페로브스카이트 태양전지를 개발하였다.

※ 논문명: Unveiling facet-dependent degradation and facet engineering for stable perovskite solar cells

※ 저널: Science

※ 논문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adf3349

(3) 고품질 프리커서 대량생산 기술 (Science, 383, 524–531 (2024))고효율 페로브스카이트 태양전지를 양산할 경우, 고품질 페로브스카이트 박막 제조를 위한 고순도 페로브스카이트 프리커서 소재의 저가 양산 기술이 필요하다. 본 연구에서 수용액에서 99.995% 고순도 페로브스카이트 프리커서를 수율 92% 이상으로 제조하는 데 성공했으며 합성된 프리커서를 이용하여 태양전지를 만들 경우 25% 이상의 고효율이 가능하였다. 본 연구는 중국 남방과기대학(Southern University of Science and Technology, 센젠 (Shenzen) 소재)의 Baomin Xu 교수팀이 주도하고 박남교 교수팀이 공동으로 참여하였다. 특히 본 연구를 주도한 Yong Zhang 박사는 성균관대에서 박남규 교수의 지도로 박사학위를 받은 연구자이다.

※ 논문명: Aqueous synthesis of perovskite precursors for highly efficient perovskite solar cells

※ 저널: Science

※ 논문링크: https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj7081