입력 2026.02.04 09:38
| 수정 2026.02.04 11:00
- 간단하면서도 효과적으로 효율과 안정성 두 마리 토끼를 동시에 잡은 연구
- 화학·에너지 분야 권위 학술지 Joule 게재
연세대학교 화공생명공학과 박종혁 교수 연구팀은 화학과 김동호 명예특임교수 연구팀과의 공동연구를 통해, 파이렌(Pyrene) 분자를 첨가하는 간단한 공정만으로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시킬 수 있는 방법을 규명했다.
이번 연구는 2025년도 연세 시그니처 연구클러스터 사업 연구비 지원을 받아 과제팀 내 공동연구로 수행됐으며, 연구 성과는 화학·에너지 분야의 세계적인 권위 학술지 ‘Joule(Impact Factor: 35.8)’ 최신 호에 게재됐다.
페로브스카이트는 뛰어난 광흡수 능력과 우수한 전하 전달 특성, 비교적 간단한 공정 등의 장점으로 차세대 태양전지의 광활성층 물질로 주목받고 있다. 이러한 장점에 힘입어 최근 수년간 효율이 급격히 향상되며 고효율 페로브스카이트 태양전지가 연이어 보고되고 있다.
페로브스카이트는 뛰어난 광흡수 능력, 우수한 전하 전달 특성, 비교적 간단한 공정 등 다양한 장점으로 인해 차세대 태양광 소자의 광활성층 물질로 주목받고 있다. 이러한 장점으로 최근 수년간 효율이 급격히 향상되며, 고효율 페로브스카이트 태양전지가 연이어 보고되고 있다.
그러나 페로브스카이트 기술의 다음 핵심 과제는 안정성 향상이다. 현재 페로브스카이트는 자외선, 수분, 열 등 외부 환경에 민감해 장기 안정성이 제한되는 문제가 있다. 예를 들어, 자외선에 장시간 노출될 경우 격자 구조 붕괴와 상변이가 발생해 효율이 감소하며, 수분에 노출되면 결정립계(결정 간 경계)를 통해 물 분자가 내부로 침투해 수화 반응을 일으켜 소자 수명이 단축되는 것으로 알려져 있다. 이러한 안정성 문제는 페로브스카이트 태양전지의 상용화에 있어 실질적인 제약 요인으로 작용해 왔다.
연구팀은 페로브스카이트 제작 과정에서 4개의 벤젠고리가 연결된 구조를 가진 파이렌 분자를 첨가하는 방식에 주목했다. 실험적·이론적 분석 결과, 파이렌이 결정 조성 중 포름아미디늄(Formamidinium, FA) 양이온과 정전기적 상호작용을 형성해 격자 진동과 뒤틀림을 억제하고, 그 결과 격자 안정성이 향상된다는 메커니즘을 규명했다.
또한 형광 수명 이미징 현미경법을 활용해 전하 확산 과정을 관찰하고, 수분에 노출된 박막의 열화 과정을 추적함으로써 외부 환경 요인에서도 향상된 페로브스카이트의 결정 안정성과 에너지 변환 효율을 실험적으로 입증했다.
박종혁 교수와 김동호 교수는 “이번 교내 융복합 연구를 통해 페로브스카이트의 효율과 안정성 확보를 위한 물성에 대한 실험적 이해가 한층 심화됐다”며 “이는 향후 페로브스카이트 태양전지 기술 발전과 상용화에 중요한 기여를 할 것으로 기대된다”고 밝혔다.