성균관대 박남규 교수 연구팀, 태양전지 핵심 소재 구조 제어로 고효율·고안정성 동시에 달성
- 분자 이합체 형성 억제해 소자 효율 26.4%, 1,500시간 안정성 확보
- 세계적 학술지 『네이처 머티리얼즈』 9월 30일자 게재

□ 성균관대학교(총장 유지범) 화학공학부 박남규 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 장기 안정성을 동시에 획기적으로 향상시킬 수 있는 소재 제어 기술을 개발했다. 

□ 이 기술은 태양전지의 핵심 부품인 전자수송층 소재에서 성능 저하의 원인이 되는 분자 이합체(dimer) 형성 현상을 억제함으로써, 소형 셀 기준 26.4%의 공식 인증효율과 1,500시간 이상 장기 안정성을 동시에 확보한 것이 핵심이다.

□ 이번 연구는 성균관대 박남규 교수팀과 중국과학기술대(USTC), 남방과기대(SUSTech), 독일 율리히연구소, 홍콩과기대(광저우) 등과 공동 수행했으며, 재료과학 분야 세계적 학술지인 『네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF 38.5)』 2025년 9월 30일자 온라인판에 게재되었다.

□ 연구팀은 기존 페로브스카이트 태양전지에서 전자 이동을 담당하는 PCBM (Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 소재가 고온이나 광 스트레스 환경에서 분자 간 결합으로 인해 뭉치는 ‘이합체화’ 현상을 겪는 문제에 주목했다. 이 구조 변화는 전자 이동도를 낮추고, 태양전지의 효율을 빠르게 떨어뜨리는 원인이 된다.

□ 이에 따라 연구팀은 2,3,5,6-테트라플루오로-4-아이오도벤조산(FIBA)이라는 새로운 분자를 도입해 PCBM의 배열을 정밀하게 제어하고, 분자 이합체 형성을 억제하는 전략을 개발했다. 이 도펀트는 수소 결합, π–π 상호작용, 할로겐 결합 등을 통해 분자들이 수직으로 정렬되고 안정된 적층 구조를 갖도록 유도한다.

□ 연구 결과, 연구팀은 소면적 기준 공식 인증효율 26.4%, 1 cm² 셀 기준 25.3%, 그리고 대면적 30×30 cm² 모듈(활성 면적 764 cm²) 기준 21.3% 효율을 달성했다. 또한, 국제 표준 실험(ISOS-L2I) 조건인 섭씨 85도에서의 고온 광·전압 인가 시험에서도 초기 효율의 93%를 1,500시간 이상 유지해 우수한 장기 신뢰성을 입증했다.

□ 박 교수는 “이번 성과는 태양전지의 상용화를 가로막는 안정성 문제를 해결할 수 있는 돌파구”라며, “특히 대면적 모듈에서도 높은 효율을 유지해 산업적 파급력이 매우 클 것으로 기대된다”고 밝혔다.

□ 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구자지원사업(리더과제) 지원으로 수행되었으며, 제1저자는 양정(Zheng Liang) 박사(중국과학기술대, 성균관대학교 방문연구원), 교신저자는 박남규 성균관대 교수이다.

※ 논문명: Suppression of PCBM dimer formation in inverted perovskite solar cells
※ 학술지: Nature Materials
※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02368-7

-10월 2일 목요일자 보도자료 (첨부파일 참조)