입력 2026.08.12 15:31
- ‘경쟁적 용매-용질 배위결합’ 제어 원리 규명… 친환경·대면적 공정 가능성 제시
- 23.05% 광전변환효율·3,000시간 이상 장기 안정성 확보
- 국제 학술지 ‘Journal of Materials Chemistry A’ 게재
충남대학교 응용화학공학과 송슬기 교수 연구팀이 전남대 안효성 교수 연구팀과의 공동연구를 통해 반용매(Antisolvent) 공정 없이도 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 새로운 기술을 개발하며 차세대 태양전지의 친환경·대면적 공정 가능성을 제시했다.
이번 연구 결과는 재료화학 분야 국제 저명 학술지 ‘저널 오브 머티리얼스 케미스트리 에이(Journal of Materials Chemistry A, IF: 9.2)’에 6월 29일 게재가 확정됐다. 이번 연구는 충남대 임정인 석사과정이 제1자로, 송슬기 교수와 안효성 교수가 공동 교신저자로 참여했다.
폼아미디늄 요오드화 납(FAPbI₃) 기반 페로브스카이트 태양전지는 높은 광전변환효율과 저비용 용액공정이 가능해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 그러나 기존의 고효율 박막 제조 공정은 결정화를 빠르게 유도하기 위해 독성 유기용매를 적하하는 반용매 공정에 크게 의존하고 있다. 특히 반용매 적하 기술은 용매를 투입하는 시점이 수 초 단위로 매우 민감해 대면적 모듈 제조 과정에서 공정 재현성과 균일성을 확보하기 어렵다는 한계가 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 반용매를 사용하지 않는 친환경 공정에 대한 연구가 활발히 진행되고 있지만, 반용매가 없는 조건에서는 반응 용매인 DMA와 페로브스카이트 전구체 사이에 강한 배위결합이 형성되면서 결정화가 불균일하게 진행되고 결정 내 결함이 증가하는 문제가 발생한다. 이는 고효율과 장기 안정성을 동시에 확보하는 데 주요한 걸림돌로 작용해 왔다.
연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 알코올 동반용매의 알킬 체인 길이에 따른 수소결합, 극성, 입체 장애 효과를 정밀하게 조절하고, 이를 통해 주 용매와 납 이온 사이의 배위결합을 완화하는 ‘경쟁적 배위결합(Competitive Coordination)’ 메커니즘을 제시했다. 연구팀은 용매와 용질 사이에서 일어나는 경쟁적 배위결합이 반용매 없이 페로브스카이트 결정화를 제어하는 핵심 원리임을 규명했다.
특히 프로판올(Propanol) 기반 동반용매 시스템을 적용해 과도적 중간체인 α_solv를 안정적으로 유도하고, 이를 통해 결함이 최소화된 높은 결정성의 α-FAPbI₃ 결정을 형성하는 데 성공했다. 기존 반용매 공정 없이도 균일하고 우수한 결정성을 갖는 페로브스카이트 박막을 구현함으로써 고효율 소자 제작이 가능함을 확인했다.
이를 기반으로 제작한 페로브스카이트 태양전지는 23.05%의 광전변환효율을 기록했다. 이는 반용매를 사용하지 않는 단일 접합 페로브스카이트 태양전지 가운데 세계 최고 수준의 효율이며, 공기 중에서 3,000시간 이상 연속 구동한 이후에도 초기 효율의 약 90%를 유지하는 장기 구동 안정성을 확보했다.
이번 연구는 반용매 적하 공정에 의존하지 않고도 페로브스카이트의 결정화 과정을 정밀하게 제어할 수 있는 새로운 원리를 제시했다는 데 의의가 있다. 특히 용매와 전구체 간 배위결합을 제어하는 분자 수준의 접근을 통해 높은 효율과 장기 안정성을 동시에 확보함으로써, 향후 대면적 모듈 제조와 친환경·고재현성 페로브스카이트 태양전지 공정 개발에 기여할 것으로 기대된다.
송슬기 교수는 “이번 연구는 반용매를 사용하지 않는 페로브스카이트 공정에서 용매와 용질 사이의 경쟁적 배위결합이 결정화 거동을 결정하는 핵심 요인임을 규명했다는 데 의미가 있다”며 “분자 수준에서 용매의 상호작용을 제어함으로써 고효율과 장기 안정성을 동시에 확보할 수 있는 새로운 공정 설계 방향을 제시한 만큼, 향후 대면적·친환경 페로브스카이트 태양전지 제조 기술로 확장할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
□ 논문 제목: Competitive Solvent-Solute Coordination Governs Antisolvent-Free Crystallization in Perovskites