‘세계 상위 1% 연구자’ 박남규 교수, 페로브스카이트 태양전지 성능 또 높였다

박남규 성균관대 화학공학과 교수. 성균관대 제공

국내 연구팀이 페로브스카이트 태양전지 내부 소재가 뭉쳐 성능이 저하되는 문제를 해결했다.

성균관대는 박남규 성균관대 화학공학부 교수팀이 중국과학기술대(USTC), 남방과기대(SUSTech), 독일 율리히연구소, 홍콩과기대 등과 공동 연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 성능을 떨어뜨리는 물질 형성을 억제해 효율과 안정성을 확보하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 연구결과는 9월 30일(현지시간) 국제학술지 '네이처 머티리얼즈'에 공개됐다.

페로브스카이트 태양전지는 상대적으로 낮은 약 100℃에서 저비용 제조가 가능하고 기존 실리콘(Si) 기반 태양전지보다 유연성이 뛰어 차세대 태양광에너지 기술로 꼽힌다. 박 교수는 페로브스카이트 태양전지의 개척자로 불리는 연구자다. 

연구팀은 고온 또는 빛 스트레스 환경에서 페로브스카이트 태양전지 내부의 전자 이동을 담당하는 PCBM 소재 구성 분자가 뭉쳐 이합체(dimer)를 형성하는 문제에 주목했다. 이합체가 만들어지면 전자 이동도가 떨어져 전지 효율이 감소한다. 

연구팀은 2,3,5,6-테트라플루오로-4-아이오도벤조산(FIBA)이라는 분자를 도입해 PCBM의 배열을 정밀하게 제어하고 분자 이합체 형성을 억제하는 데 성공했다. 분자 사이의 상호작용인 수소 결합, 할로겐 결합 등을 활용해 분자들이 수직으로 정렬되고 안정된 적층 구조를 갖도록 유도하는  것이다. 

개발된 기술을 태양전지에 적용한 결과 1제곱센티미터(㎠) 넓이의 소면적 셀 기준 공식 인증 효율은 26.4%, 활성 면적 764㎠ 대면적 셀 기준 21.3%를 달성했다. 국제 표준 실험 조건인 85℃ 광·전압 인가 시험에서도 초기 효율 93%를 1500시간 이상 유지해 장기 신뢰성도 확인됐다.

박 교수는 "이번 성과는 페로브스카이트 태양전지 상용화를 가로막는 안정성 문제를 해결할 돌파구"라며 "특히 대면적 모듈에서도 높은 효율을 유지해 산업적 파급력이 매우 클 것으로 기대된다"고 말했다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1038/s41563-025-02368-7
 

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]