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(원내) (전)한국화학연구원 문찬수 박사, (왼쪽부터) 한국화학연구원 전남중 박사, KAIST 이재희 석박통합과정생, KAIST 나하진 석사과정생, KAIST 생명화학공학과 서장원 석좌교수 / KAIST 제공

[투데이에너지 장재진 기자] KAIST는 생명화학공학과 서장원 석좌교수 연구팀이 한국화학연구원과의 공동연구를 통해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있는 표면 보호막 설계기술을 개발했다고 24일 밝혔다.

KAIST에 따르면, 연구진은 구조적으로 견고한 Dion–Jacobson(DJ) 계열의 2차원 보호막을 도입하고, 보호막 내부에서 페로브스카이트 층의 적층 수를 의미하는 ‘n값’을 열처리 공정을 통해 정밀 제어하는 방식으로 전하 수송 특성과 구조적 안정성을 동시에 개선해 전력변환효율 25.56%(공인 25.59%)를 달성했다.

차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 낮은 제조비용과 높은 이론적 효율을 장점으로 빠르게 발전해 왔다. 그러나 실제 작동 환경, 특히 고온·고습 조건과 장시간 광조사 환경에서는 성능 저하가 발생해 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 기존에는 3차원(3D) 페로브스카이트 위에 2차원(2D) 층을 덧입히는 ‘3D/2D 구조’로 안정성을 보완하려는 시도가 있었지만, 2D 층의 구조적 견고성이 부족하면 시간이 지나면서 구조 변형과 성능 저하가 나타날 수 있다는 한계가 있었다.

연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 DJ 계열의 2D 페로브스카이트 패시베이션 층을 표면에 형성하고, 그 내부의 n값을 정밀하게 조절하는 설계 전략을 제시했다. DJ 구조는 유기층이 양쪽에서 무기층을 단단히 연결하는 특성으로 구조적 견고성이 높아, 외부 스트레스에 대한 저항성이 크다. 연구진은 특히 열처리 과정에서 계면 재배열이 유도되며 내부의 n값이 전이(transition)되는 메커니즘을 규명했고, 이를 통해 전하 이동 경로를 개선하면서도 구조적 안정성을 확보하는 실험적 근거를 제시했다.

해당 설계가 적용된 소자에서는 전력변환효율(PCE) 25.56%를 기록했으며 공인 효율은 25.59%로 확인됐다. 또한 고온·고습(85℃·85% RH) 조건과 지속적인 광 조사 환경에서도 성능 저하가 적어 장기 안정성이 입증됐다. 연구팀은 동일한 공정 조건을 대면적 모듈 제작 공정에도 적용해 상용화 가능성을 검증하는 실험을 수행했고, 재현 가능한 공정 조건을 제시하며 공정 안정성 또한 확보했음을 보고했다.

연구진은 열처리 시 계면에서 서로 다른 물질이 만나 구조가 재배열되는 현상을 자세히 관찰했다. 이를 벽돌과 접착제의 예에 비유해 설명하면서, 열처리 온도와 시간을 조절하면 2D 보호막 내부의 층 구조(n값)가 더 단단하고 정돈된 형태로 자리잡는다고 밝혔다. 이러한 재배열이 전하 이동성을 개선하고, DJ 구조의 특성으로 인해 장기적 구조 안정성도 향상된다는 점을 실험적으로 확인했다. 연구팀은 이 과정을 바탕으로 재현 가능한 공정 파라미터를 제시해 스케일업 시 발생할 수 있는 변동성을 줄일 수 있음을 강조했다.

이번 연구는 효율과 수명 사이의 전통적 트레이드오프(딜레마)를 표면 보호막의 구조 설계를 통해 동시에 해결한 사례로 평가된다. 연구 성과는 에너지 분야 권위 학술지인 Joule에 게재됐으며, 연구에는 KAIST의 이재희 석박통합과정생과 한국화학연구원의 문찬수 박사가 공동 제1저자로 참여했다. 또한 연구는 한국연구재단과 한국화학연구원 등의 지원을 받아 수행됐고, 일부 실험은 포항가속기연구소의 빔라인 지원을 통해 진행됐다.

연구팀은 이번 기술이 대면적 제조 공정에 상대적으로 우호적이며 상용화 전환 시 제조 비용과 공정 재현성 측면에서 이점을 제공할 수 있다고 전망했다. 다만 대규모 생산 단계에서의 장기 신뢰성 검증, 환경 및 기계적 스트레스 조건에서의 추가 검증, 그리고 모듈화·패키징 과정에서의 최적화 등은 후속 과제로 남아 있다. 또한 실제 상용 제품으로의 전환을 위해서는 생산 라인의 공정 제어, 소재 공급망 안정성, 내구성 표준화 등이 병행돼야 한다는 점도 지적된다.

서장원 석좌교수는 이번 성과의 의의를 “효율을 높이면 수명이 줄고, 수명을 늘리면 효율이 떨어지는 기존의 난제를 표면 보호막의 구조 설계를 통해 동시에 해결할 수 있음을 보여준 연구”라고 설명했다.

이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 상용화 장벽으로 지목되어 온 효율-수명 딜레마를 표면 보호막의 구조적 설계와 열처리 기반의 n값 제어로 동시에 해결한 사례로, 고효율(25%대)과 장기 안정성 확보를 동시에 입증했다.

향후 대면적 모듈화와 장기간 신뢰성 검증, 제조 공정의 표준화가 순조롭게 진행될 경우 상용화 가능성이 커질 전망이다. 연구 결과는 에너지 전환과 기후 위기 대응 측면에서도 의미 있는 진전으로 평가된다.

연구 개념도(AI 생성 이미지)/KAIST 제공

구조형성 전략에 대한 모식도(좌) 및 구조 변화 모식도(우) /KAIST 제공

■ 용어 설명

ㆍ페로브스카이트 태양전지=페로브스카이트 구조를 갖는 반도체 물질을 빛 흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로, 낮은 공정비와 높은 이론적 효율 잠재력을 가진다.

ㆍ3D/2D 구조=3차원(3D) 페로브스카이트 결정 위에 2차원(2D) 보호막을 덧입히는 구조적 설계로, 표면 결함을 줄이고 안정성을 높이는 전략이다.

ㆍDion–Jacobson(DJ) 구조=2D 페로브스카이트에서 유기층이 양쪽에서 무기층을 단단히 연결해 구조적 견고성을 높이는 구조적 계열을 의미한다(벽돌 사이를 강한 접착제로 묶는 원리와 유사).

ㆍ패시베이션=반도체 표면의 결함을 줄이거나 외부 환경으로부터 보호해 전기적 성능과 안정성을 향상시키는 기술적 조치.

ㆍ전력변환효율(PCE)=태양전지가 받은 빛 에너지를 전기에너지로 변환하는 비율로, 태양전지 성능의 핵심 지표이다.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)