신성식 교수팀, 태양전지와 LED를 동시에 구현한 ‘무결점 소재’ 개발

- 과량의 리간드 전략으로 광전변환·발광 효율 획기적 향상

- 네이처 에너지(Nature Energy) 6월호 표지논문 선정

▲ (왼쪽부터) 교신저자 성균관대 신성식 교수, 울산과학기술원(UNIST) 석상일 교수, 

제1저자 성균관대 서갑경 박사, 남성식 연구원, 이다슬 박사, 한국화학연구원 유정완 박사

신성식 교수 연구팀이 하나의 장치로 낮에는 태양광을 받아 전기를 만들고, 밤에는 빛을 내는 ‘태양전지+LED 소자’를 구현할 수 있는 무결점 소재를 개발했다. 이 기술은 울산과학기술원(UNIST), 한국화학연구원과 함께 공동으로 연구해 세계적인 과학 저널 네이처 에너지(Nature Energy, IF: 60.1) 6월호 표지논문으로 실렸다.

이번에 개발된 소재는 전자를 잘 전달하는 'SnO₂'라는 물질을 더 깨끗하고 균일하게 만드는 데 성공한 것이다. 기존에는 이 물질 내 결함이 많아 재결합이 발생하는 문제가 있었으나, 연구팀은 리간드로 사용된 시트르산을 과량으로 첨가하여 이러한 문제를 해결하는 데 성공했다. 이를 통해 결함 생성이 억제된 무결점 소재를 합성할 수 있게 되었다.

그 결과, 이 무결점 소재 기반의 태양전지는 빛을 받아 전기를 만드는 효율이 26.4%로 매우 높았고, 동시에 빛을 내는 LED 효율도 24.8%에 달했다. 이처럼 하나의 장치에서 두 가지 기능을 모두 잘 해낸 것은 세계적으로도 드문 일이다.

▲ 고품질 SnO2 박막 합성을 위한 과잉 리간드 전략 메커니즘

이번 연구 성과는 하나의 소자에서 고성능 페로브스카이트 태양전지와 고성능 LED를 동시에 구동할 수 있는 무결점 소재를 개발한 데에 의의가 있다. 또한, 이 무결점 소재 개발을 통해 2년 연속으로 네이처 에너지에 논문을 게재하는 쾌거도 이루었다.

또한 이 기술은 복잡한 장비 없이도 간단하고 빠르게 만들 수 있어서, 앞으로 태양전지나 조명 제품을 더 싸고 쉽게 생산하는 데 큰 도움이 될 것으로 기대된다. 신성식 교수는 “이번 연구로 고성능 태양전지와 LED를 동시에 구현할 수 있는 길이 열렸다”라며 “친환경 에너지를 더 널리 활용할 수 있는 발판이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 이루어졌으며 지난 4일 온라인 게재되었다.

※ 논문명: Efficient and luminescent perovskite solar cells using defect-suppressed SnO2 via excess ligand strategy

※ 학술지: Nature Energy

※ 논문링크: https://www.nature.com/articles/s41560-025-01781-1

▲ Nature Energy 2025년 6월호 표지