GIST, 새로운 분자 배열 제어로 고효율 대면적 태양전지 구현

- 인돌(Ind) 분자의 비대칭 전하 분포로 규칙적인 ‘면대면 배열’ 유도해 전하 손실 억제

- 대면적 모듈 23.21% 인증 효율 달성, 대면적 제조공정·모듈화 적용 기대

연구진 사진. (앞줄 왼쪽부터) GIST 화학과 홍석원 교수, 페로브스카이트 태양전지 상용화 전략연구사업단 이광희 단장, 차세대에너지연구소 강홍규 부소장, (뒷줄 왼쪽부터) 김상진 박사과정생, 기태윤 박사, 김상조 연구원. (자료제공: GIST)

광주과학기술원(GIST·지스트, 총장 임기철)은 ‘세계 최초 페로브스카이트 태양전지 상용화 전략연구사업단(이하 전략연구사업단)’ 이광희 사업단장(신소재공학과 초빙석학) 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 계면에서 분자의 배열을 제어해 전하 손실을 줄이고, 대면적 소자에서 발생하는 성능 저하를 완화할 수 있는 새로운 분자 설계 원리를 제시했다고 8월 13일 밝혔다.

연구진은 계면의 결함을 줄이는 데 집중해 온 기존 방식에서 한 걸음 더 나아가, 계면을 이루는 분자들이 규칙적으로 배열되도록 유도함으로써 전하가 보다 균일하게 이동할 수 있는 계면 구조를 구현했다.

분자의 전하 분포에 따른 규칙적인 배열과 계면 층상 구조 형성 원리. (자료제공: GIST)

페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 ‘광전변환효율’이 높아 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 태양전지가 높은 효율을 내기 위해서는 빛을 흡수하는 ‘광흡수층’에서 생성된 전하가 ‘전하수송층’으로 원활하게 이동해야 한다. 그러나 소자의 면적을 넓히면 두 층이 맞닿는 계면의 상태가 위치에 따라 달라지면서 전하 이동이 불균일해지고, 이에 따라 효율이 떨어질 수 있다.

특히 페로브스카이트 표면에 유기 분자를 도입하는 기존 계면 처리 기술은 전하 손실을 일으키는 표면 결함을 줄이는 데 효과적이지만, 분자들이 불규칙하게 배열되면 전하의 이동을 방해해 계면에서 추가적인 손실이 발생할 수 있다.

공동연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 ‘인돌계 유기 암모늄 분자(이하 인돌 분자)’라는 유기 분자에 주목했다. 이 분자는 질소 원자가 포함된 고리 모양의 구조를 갖고 있어 전하가 분자 내부에서 한쪽으로 치우쳐 분포하는 특징이 있다.

연구팀은 이러한 특성이 인돌 분자들이 서로 일정한 방향으로 정렬되는 데 영향을 줄 수 있다고 보고, 구조가 다른 두 종류의 유기 분자와 비교해 분자 배열에 영향을 미치는 요인을 분석했다.

그 결과 인돌 분자는 서로 마주보는 방향으로 안정적으로 결합하면서 규칙적인 ‘면대면 적층 구조’를 형성하는 것으로 나타났다. 이는 단순히 고리 구조의 크기보다 분자 내부의 전하 분포가 분자의 규칙적인 배열을 유도하는 데 중요한 역할을 한다는 것을 보여준다.

이렇게 규칙적으로 배열된 인돌 분자는 페로브스카이트 표면에서 일정한 방향과 간격으로 고르게 배열되고, 그 위에 형성되는 전자수송층 ‘C60(씨 식스티)’와의 접촉면도 균일하게 만드는 것으로 나타났다.

그 결과 전하가 소실되는 ‘비방사 재결합’을 억제하면서도 페로브스카이트에서 C60로의 전자 이동을 원활하게 유지해, 계면에서 발생하는 전하 손실을 줄일 수 있었다. 이러한 계면 설계 원리를 실제 페로브스카이트 태양전지에 적용한 결과, 소면적 태양전지에서 26.94%의 인증 광전변환효율을 기록했으며, 25㎠ 대면적 태양전지에서도 23.21%의 인증 효율을 달성했다.

특히 이 25㎠ 대면적 모듈은 10개의 태양전지를 하나로 연결한 일체형(모놀리식) 구조로 제작됐으며, 독립 인증을 통해 성능을 확인했다. 이는 연구진이 제안한 계면 설계가 소면적 소자뿐 아니라 대면적 모듈에서도 높은 효율을 구현하는 데 효과적임을 보여준다.

또한 장기 안정성 평가에서 85℃의 고온 환경에서 1,000시간 후 초기 효율의 93% 이상을 유지했으며, 실제 태양광과 유사한 세기의 빛을 지속적으로 비춘 조건에서도 1,800시간 후 초기 효율의 85%를 유지했다.

이번 연구에서 제시한 분자 설계 원리가 향후 연속 제조공정 등 대량생산 기술과 결합할 경우 건물일체형 태양광(BIPV), 경량·유연 태양전지, 모바일 전원 등 다양한 분야로 페로브스카이트 태양전지의 활용 범위를 넓히는 데 기여할 것으로 기대된다.

이광희 전략연구사업단장은 “페로브스카이트 태양전지의 높은 효율을 대면적에서도 구현하는 것은 상용화를 위해 반드시 해결해야 할 과제”라며 “이번에 제시한 분자 설계 원리가 대면적화 과정에서 발생하는 계면 손실을 줄이고 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 기반 기술로 활용되기를 기대한다”고 말했다.

GIST 차세대에너지연구소 강홍규 부소장은 “이번 성과는 소면적 태양전지의 높은 효율을 대면적 모듈에서도 구현했다는 점에서 의미가 있다”며 “앞으로도 연구성과가 대면적 제조공정과 모듈화, 실증 및 산업화로 이어질 수 있도록 연구 인프라와 산학협력 기반을 지속적으로 강화하겠다”고 밝혔다.

GIST 이광희 전략연구사업단장과 차세대에너지연구소 강홍규 부소장, 화학과 홍석원 교수가 공동 교신저자로 참여하고, 신소재공학과 기태윤 박사가 제1저자로 수행한 이번 연구에는 기초과학연구원(IBS), 한국과학기술원(KAIST), 한국에너지공과대학교(KENTECH), 경상국립대학교, 일본 이화학연구소(RIKEN)·도쿄대학교, 스웨덴 린셰핑대학교 연구진이 공동으로 참여했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부·한국연구재단 기후변화대응기술개발사업 및 중견연구자지원사업, 교육부·한국연구재단 이공분야 대학중점연구소지원사업, 기후에너지환경부·한국에너지기술평가원 신재생에너지핵심기술개발사업, 과학기술정보통신부·GIST 전략연구사업의 지원을 받아 수행됐다.

연구 결과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)’에 2026년 7월 30일 온라인 게재됐다.

한편 GIST는 이번 연구 성과가 학술적 의의와 함께 산업적 응용 가능성까지 고려한 것으로, 기술이전 관련 협의는 기술사업화센터를 통해 진행할 수 있다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]