[로이슈 전여송 기자] UNIST 연구진이 자기조립단분자막의 분자 연결 위치를 조절해 영하 100도에서 영상 100도의 온도 변화에서도 작동하는 페로브스카이트 태양전지 계면소재를 개발했다.

3일 한국연구재단에 따르면 이번 연구는 UNIST 에너지화학공학과 양창덕·신승재 교수와 신소재공학과 송명훈 교수 공동연구팀이 진행했다. 연구팀은 자기조립단분자막(SAM)의 기본 구조를 유지하면서 분자 연결 위치를 조절해 전극 위에서 배열되는 계면소재 ‘LY-m’을 개발했다.

자기조립단분자막은 특정 분자들이 기판 표면에 결합·정렬해 형성하는 분자 한 층 두께의 막이다. 역구조 페로브스카이트 태양전지에서는 투명전극과 페로브스카이트 흡수층 사이에서 정공수송층으로 사용된다.

기존 자기조립단분자막은 분자가 고르게 배열되지 않거나 열에 노출될 경우 에너지 손실이 증가하고 장기 안정성이 저하될 수 있다. 기존 연구에서는 이를 개선하는 과정에서 화학구조와 전기적 특성을 함께 변경하는 경우가 많아 분자의 연결 위치가 계면 성능에 미치는 영향을 구분하기 어려웠다.

연구팀은 SAM 분자의 기본 구조를 유지하면서 중간 연결고리 위치만 오르토·메타·파라로 달리한 LY-o, LY-m, LY-p 등 세 가지 이성질체를 합성했다.

페로브스카이트 계면에 적용한 결과 메타 위치에 연결된 LY-m은 투명전극 기판 위에 기울어진 형태로 촘촘하고 균일하게 배열됐다. 세 이성질체 가운데 가장 큰 결합 에너지를 나타냈으며 계면 결함도 줄어드는 경향을 보였다.

LY-m을 적용한 역구조 페로브스카이트 태양전지는 최고 26.39%의 광전변환효율을 기록했다. 영하 100도와 영상 100도에서 각각 30분씩 반복하는 열순환 시험에서는 기존 상용 소재를 적용한 소자가 작동을 멈춘 반면 LY-m 적용 소자는 약 9%의 효율 감소 후에도 작동을 유지했다.

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘줄(Joule)’에 지난 8월 3일 온라인 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 나노 및 소재기술개발사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

양창덕 UNIST 에너지화학공학과 교수는 “태양전지의 성능은 빛을 흡수하는 소재뿐 아니라 각 층이 맞닿는 계면의 완성도에도 크게 좌우된다”며 “이번 연구는 분자 수준의 정교한 설계를 통해 효율과 안정성을 함께 높일 수 있음을 보여줬으며, 우주·항공처럼 극심한 온도 변화가 예상되는 환경에서의 태양전지 적용 가능성을 높였다”고 말했다.

전여송 로이슈(lawissue) 기자 arrive71@lawissue.co.kr