김민 전북대 교수팀, 친환경 페로브스카이트 태양전지 기술 개발

전북대학교 김민 교수 연구팀의 나혜미 석사과정생이 유기 반도체 소재를 활용한 분자 도핑 기술을 적용해 친환경 주석 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있는 기술 개발에 성공했다.

기후위기를 극복하기 위한 차세대 태양전지 기술로 손꼽히는 페로브스카이트 소재는 납을 포함하고 있어 환경 이슈가 제기돼왔다. 최근에는 이 문제를 해결할 수 있는 주석 기반 친환경 페로브스카이트에 관한 연구가 주목 받고 있으나 주석의 공기 중 산화 반응을 제어하기 어려워 기존 기술 대비 낮은 광변환 효율과 구동 중 성능 저하가 문제였다.

김 교수팀은 이를 극복하기 위해 주석 페로브스카이트 태양전지 소자에 필수적으로 쓰이는 정공 및 전자 수송층에 유연 고분자와 가위 모양의 판상 유기 분자를 각각 도입하는 분자 도핑 모델을 제안했고, 이 소재의 도입으로 태양전지로부터 발생한 전하가 페로브스카이트 내에 갇히지 않고 효율적으로 빠져나와 태양전지 효율을 높일 수 있음을 증명했다.

이번 연구 성과는 재료과학분야 상위 3.7% 이내 국제 학술지인 'ACS Energy Letters, IF=22'에 ‘Interlayer Molecular Doping to Enhance Efficiency in Tin Perovskite Solar Cells’ 라는 제목으로 게재됐다.

나 석사과정생이 제1저자로 참여했고, 충남대 이재원 교수 연구팀과 경북대 차효정 교수 연구팀이 공동으로 참여했다. 이번 연구는 한국연구재단 우수신진지원사업과 기후기술인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

김 교수팀은 이 분자들을 주석 페로브스카이트에 쓰이는 다양한 전하 수송층에 적용해 일괄적인 효과를 검증했으며, 검증 결과 최대 21% 이상의 광전 변환 효율을 보여 기존 대비 10% 이상이 향상됨을 확인했다.

김민 교수는 “차세대 태양전지의 친환경 소재에 관한 연구는 기후위기 극복을 위한 친환경 공정을 위해 필수적인 기술”이라며 “이 기술은 차세대 태양전지 분야에서 다양하게 응용 가능할 것”으로 기대했다.