전북대학교 김민 교수 연구팀(공대 화학공학부, JBNU-KIST산학연융합학과, 에너지-AI융합공학과)이 유기 반도체 소재를 활용한 분자 도핑 기술을 통해 친환경 주석 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 크게 향상시키는 기술을 개발했다.

기후 위기 극복을 위한 차세대 태양전지 기술로 주목받는 페로브스카이트 소재는 기존에 납 금속을 포함하고 있어 환경적 이슈가 있었다. 최근 주석 기반의 친환경 페로브스카이트가 대안으로 떠오르고 있으나, 주석의 산화 반응으로 인해 광변환 효율과 구동 중 성능 저하가 문제로 지적됐다.

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

이 연구 성과는 재료 과학 분야 상위 3.7% 이내 국제학술지인 『ACS Energy Letters, IF=22』에 ‘Interlayer Molecular Doping to Enhance Efficiency in Tin Perovskite Solar Cells’라는 제목으로 게재됐다. 나혜미 석사과정생이 제1저자로 참여했으며, 충남대 이재원 교수 연구팀과 경북대 차효정 교수 연구팀이 공동으로 참여했다. 이 연구는 한국연구재단 우수신진지원사업과 기후기술인재양성사업의 지원을 받아 수행됐다.

전하 수송층에 도핑된 유연 고분자는 주석 페로브스카이트의 필름 형성 공정에서 생기기 쉬운 구멍을 없애고, 작은 크기의 결정을 증가시키는 역할을 한다. 가위 모양의 판상 분자는 페로브스카이트 표면을 일정하게 메우면서 전자의 상호 교환 작용을 통해 수명을 높인다.

김 교수팀은 이 분자들을 다양한 전하 수송층에 적용하여 일괄적인 효과를 검증했으며, 그 결과 최대 21% 이상의 광전변환효율을 달성해 기존 대비 10% 이상 향상됨을 확인했다. 이 기술은 향후 페로브스카이트 태양전지 개발에 널리 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

김민 교수는 “차세대 태양전지의 친환경 소재 연구는 기후위기 극복을 위한 필수 기술”이라며 “이 기술이 차세대 태양전지 분야에서 다양하게 응용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.