성균관대 박남규 교수팀, 도핑 없이 결정구조만으로 전하 제어 원리 발견… 세계 최고 수준 페로브스카이트 태양전지 개발
- 유기 분자의 원자 단 1개 차이로 전자·정공의 이동 통로를 제어하는 신개념 계면 설계 원리 규명
- 공인 최고 효율 27.19% 달성 및 2,000시간 연속 작동에도 97.8% 성능 유지

□ 성균관대학교(총장 유지범) 화학공학부 박남규 종신석좌교수(성균지능화에너지솔루션 국가연구소 소장, 교신저자) 연구팀은 장야란 박사(제1저자), 화학공학부 이상욱 교수 연구팀과 함께 별도의 화학 첨가제(도펀트)를 섞지 않고 결정구조를 바꾸는 것만으로 전하를 선택적으로 이동시키는 새로운 계면 설계 원리를 통해 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율과 수명을 대폭 향상시키는 기술을 개발했다고 밝혔다.

□ 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 햇빛을 받으면 마이너스(-) 전기를 띤 ‘전자’와 플러스(+) 전기를 띤 '정공'을 만들어낸다. 태양전지가 전기를 원활하게 생성하기 위해서는 발생한 전자와 정공이 서로 반대 방향의 통로(계면)를 통해 각 전극으로 빠르고 막힘없이 이동해야 한다. 기존에는 이 흐름을 돕기 위해 외부 화학 물질을 섞어 넣는 ‘도핑’ 방식을 주로 사용해왔으나, 첨가된 물질이 시간이 흐르며 이동하거나 화학 반응을 일으켜 태양전지의 수명을 단축시키는 문제가 있었다.

□ 연구팀은 외부 첨가제를 억지로 섞는 대신, 물질의 미세한 '결정 연결 모양' 자체를 정밀하게 바꾸는 혁신적인 해결책을 찾아냈다. 분자 끝에 위치한 원자 단 하나만 서로 다른 두 가지 유기 양이온 분자(황 원자를 포함한 MTIm과 질소 원자를 포함한 MAIm)를 새롭게 설계한 것이다.

□ 단 1개의 원자 차이로 인해 납과 요오드로 이루어진 기본 입체 구조(팔면체)의 연결 방식이 완전히 달라졌다. 황(S)을 포함한 분자는 이중 사슬 형태의 결정을 만들어 플러스 전하인 정공이 잘 빠져나가도록 유도했고, 질소(N)를 포함한 분자는 단일 사슬 형태를 만들어 마이너스 전하인 전자가 막힘없이 흐르도록 작용했다. 즉, 원자 하나를 바꾸어 결정이 이어지는 길을 조절함으로써 전자와 정공이 각각 전극으로 달려갈 수 있는 ‘전용 고속도로’를 양쪽에 동시에 뚫어준 셈이다.

□ 연구팀이 이를 태양전지 양쪽 계면에 적용한 결과, 세계 최고 수준인 27.19%의 공인 광전변환효율을 기록했다. 또한 대면적(655㎠) 모듈에서도 22.26%의 높은 효율을 나타냈으며, 2,000시간 동안 연속으로 빛을 비추는 가혹한 환경에서도 초기 성능의 97.8%를 유지하며 뛰어난 내구성을 입증했다.

□ 박남규 교수는 “이번 연구는 인위적인 화학 도핑 없이 단일 원자 치환을 통한 결정 연결구조의 변화만으로 전자와 정공의 흐름을 완벽하게 제어할 수 있음을 세계 최초로 규명한 성과”라며 “향후 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

□ 한편, 박남규 종신석좌교수 연구팀은 올해 5월 엔트로피 제어 분자설계를 통해 상전이 없는 고안정성 태양전지를 개발해 국제 학술지 Science에 발표한 데 이어, 8월에도 습식 계면 산화·환원 반응 제어를 통한 고효율 역구조 태양전지 연구를 Science에 연이어 게재하는 등 페로브스카이트 분야에서 세계 최고 수준의 글로벌 연구 리더십을 확고히 하고 있다.  

□ 이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었으며, 세계적인 국제 학술지인 ‘네이처 머티리얼스(Nature Materials)’에 게재됐다.

※ 논문명: Octahedral connectivity reconfigures interfacial carrier-selective properties for efficient perovskite solar cells
※ 학술지: Nature Materials
※ 논문링크: https://doi.org/10.1038/s41563-026-02722-3

붙임: 1. 연구자 사진
      2. 연구그림  

26년 9월 3일 목요일자 보도자료 - 첨부파일 참조