박남규 성균관대 화학공학부 교수 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 장기 안정성을 동시에 획기적으로 향상시킬 수 있는 소재 제어 기술을 개발했다고 2일 밝혔다.
이 기술은 태양전지의 핵심 부품인 전자수송층 소재에서 성능 저하의 원인이 되는 분자 이합체(dimer) 형성 현상을 억제한다. 결과적으로 소형 셀 기준 26.4%의 공식 인증효율과 1500시간 이상 장기 안정성을 동시에 확보했다.
연구진은 기존 페로브스카이트 태양전지에서 전자 이동을 담당하는 PCBM(Phenyl-C61-butyric acid methyl ester) 소재가 고온이나 광 스트레스 환경에서 분자 간 결합으로 인해 뭉치는 '이합체화' 현상을 겪는 문제에 주목했다. 이 구조 변화는 전자 이동도를 낮추고, 태양전지의 효율을 빠르게 떨어뜨리는 원인이 된다.
이에 따라 연구팀은 2,3,5,6-테트라플루오로-4-아이오도벤조산(FIBA)이라는 새로운 분자를 도입해 PCBM의 배열을 정밀하게 제어하고, 분자 이합체 형성을 억제하는 전략을 개발했다. 이 물질은 분자들이 수직으로 정렬되고 안정된 적층 구조를 갖도록 유도한다.
연구 결과, 연구팀은 소면적 기준 공식 인증효율 26.4%, 1㎠ 셀 기준 25.3%, 그리고 대면적 30×30㎠ 모듈(활성 면적 764㎠) 기준 21.3% 효율을 달성했다. 또 국제 표준 실험(ISOS-L2I) 조건인 섭씨 85도에서의 고온 광·전압 인가 시험에서도 초기 효율의 93%를 1500시간 이상 유지해 우수한 장기 신뢰성을 입증했다.
박 교수는 "이번 성과는 태양전지의 상용화를 가로막는 안정성 문제를 해결할 수 있는 돌파구"라며 "특히 대면적 모듈에서도 높은 효율을 유지해 산업적 파급력이 매우 클 것으로 기대된다"고 밝혔다.
박 교수는 세계 상위 1% 연구자(HCR)에 2017년부터 8년 연속 선정된 석학이다. HCR은 글로벌 학술정보 업체 클래리베이트가 논문 피인용 수를 기준으로 선정한다. 그는 호암상과 대한민국 최고과학기술인상, 이탈리아 애니상을 수상했으며, 성균관대가 국내 최초로 정년 제한 없이 연구할 수 있도록 도입한 '종신석좌교수'로 임명됐다.
이번 연구는 성균관대 박남규 교수팀과 중국과학기술대(USTC), 남방과기대(SUSTech), 독일 율리히연구소, 홍콩과기대(광저우) 등과 공동 수행했으며, 재료과학 분야 세계적 학술지인 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)' 온라인판에 지난 9월 30일 게재됐다.
참고 자료
Nature Materials(2025), DOI: https://doi.org/10.1038/s41563-025-02368-7