박남규 교수 연구팀, 태양전지 핵심 소재 구조 제어로 고효율·고안정성 동시에 달성
– 분자 이합체 형성 억제해 소자 효율 26.4%, 1,500시간 안정성 확보
– 세계적 학술지 『네이처 머티리얼즈』 9월 30일자 게재
화학공학부 박남규 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 효율과 장기 안정성을 동시에 획기적으로 향상시킬 수 있는 소재 제어 기술을 개발했다.
이 기술은 태양전지의 핵심 부품인 전자수송층 소재에서 성능 저하의 원인이 되는 분자 이합체(dimer) 형성 현상을 억제함으로써, 소형 셀 기준 26.4%의 공식 인증효율과 1,500시간 이상 장기 안정성을 동시에 확보한 것이 핵심이다.
이번 연구는 본교 박남규 교수팀과 중국과학기술대(USTC), 남방과기대(SUSTech), 독일 율리히연구소, 홍콩과기대(광저우) 등과 공동 수행했으며, 재료과학 분야 세계적 학술지인 『네이처 머티리얼즈(Nature Materials, IF 38.5)』 2025년 9월 30일자 온라인판에 게재되었다.
연구팀은 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 도펀트는 수소 결합, π–π 상호작용, 할로겐 결합 등을 통해 분자들이 수직으로 정렬되고 안정된 적층 구조를 갖도록 유도한다.
연구 결과, 연구팀은 소면적 기준 공식 인증효율 26.4%, 1 cm² 셀 기준 25.3%, 그리고 대면적 30×30 cm² 모듈(활성 면적 764 cm²) 기준 21.3% 효율을 달성했다. 또한, 국제 표준 실험(ISOS-L2I) 조건인 섭씨 85도에서의 고온 광·전압 인가 시험에서도 초기 효율의 93%를 1,500시간 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.
이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 리더연구자지원사업(리더과제) 지원으로 수행되었으며, 제1저자는 양정(Zheng Liang) 박사(중국과학기술대, 성균관대학교 방문연구원), 교신저자는 박남규 성균관대 교수이다.
※ 논문명: Suppression of PCBM dimer formation in inverted perovskite solar cells
※ 학술지: Nature Materials