▲개발한 기술이 적용된 태양전지. [수소신문] 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 서로 다른 특성을 가진 두 종류의 유기 분자를 활용해 역구조 페로브스카이트 태양전지의 미세한 결함을 효과적으로 제어하는 기술을 개발했다. 결정 내부의 경계와 표면에 각각 다른 방식으로 접근해 전하 손실을 줄이고 안정성을 높인 것으로 차세대 고효율 태양전지 상용화에 새로운 가능성을 제시했다는 평가다. 에너지연 태양광연구실 홍성준 박사 연구진은 울산과학기술원 박영석 교수, 군산대학교 이경구 교수 연구진과 공동으로 역구조 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시키는 '쌍분자 패시베이션(Dual-Molecular Passivation)' 기술을 개발했다. 페로브스카이트 태양전지는 가볍고 제조 공정이 비교적 간단해 기존 실리콘 태양전지를 보완하거나 대체할 차세대 태양광 기술로 주목받고 있다. 특히 유연한 기판에도 적용할 수 있어 건물 일체형 태양광(BIPV), 자동차 선루프, 휴대용 전자기기 등 다양한 분야로의 활용 가능성이 크다. 하지만 박막을 형성하는 과정에서 결정과 결정 사이의 경계나 표면에 미세한 결함이 발생하는 것이 문제로 지적돼 왔다. 이들 결함은 전자가 이동하는 과정에서 손실을 유발해 태양전지의 변환효율과 장기 안정성을 떨어뜨리는 주요 원인이다. 손오공사이트 특히 역구조 페로브스카이트 태양전지는 비교적 낮은 온도에서도 제조할 수 있어 대면적화와 상용화에 유리하지만 표면과 결정 경계에서 발생하는 결함을 효과적으로 제어하는 것이 성능 향상의 핵심 과제로 꼽힌다. 기존에는 특정 종류의 분자를 태양전지 표면에 얇게 코팅해 결함을 줄이는 패시베이션 기술이 주로 활용됐다. 그러나 단일 분자만으로는 결정 경계 깊숙한 곳에 존재하는 결함과 표면 부근의 결함을 동시에 제어하는 데 한계가 있었다. 연구진은 이 같은 문제를 해결하기 위해 서로 다른 결합 특성을 가진 두 종류의 유기 분자를 순차적으로 적용하는 쌍분자 패시베이션 전략을 도입했다. 크기가 작은 PDAI 분자를 활용해 결정 경계에 존재하는 미세한 틈새와 결함을 효과적으로 메웠다. 이를 통해 전자가 이동하는 통로를 보다 안정적으로 유지하고 전하 손실을 줄였다. 이어 4TF 분자를 적용해 페로브스카이트 표면에 남아 있는 불안정한 납 원자와 결합하도록 했다. 표면의 화학적 불안정성을 낮추는 동시에 전자가 보다 원활하게 이동할 수 있는 환경을 조성한 것이다. 두 분자는 각각 결정 내부와 표면이라는 서로 다른 영역의 결함을 보완적으로 제어했다. 빠친코게임 ▲안세진 책임연구원, 홍성준 책임연구원, Osigwe Chidingozi Emeka UST학생연구원 등 연구진의 모습. 연구진은 실험을 통해 두 물질을 각각 단독으로 사용하는 것보다 순차적으로 함께 적용할 경우 결함 제거와 표면 안정화 효과가 더욱 높아진다는 .을 확인했다. 그 결과 쌍분자 패시베이션 기술을 적용한 역구조 페로브스카이트 태양전지는 24.6%의 광전변환효율을 기록했다. 이는 별도의 표면처리를 하지 않은 대조군의 21.21%보다 크게 향상된 수치이며 PDAI 분자만 단독으로 적용한 경우의 23.17%도 넘어섰다. 이번 연구는 단순히 태양전지의 효율을 높이는 데 그치지 않고 성능 저하의 주요 원인인 미세 결함을 구조적으로 제어했다는 。에서 의미가 있다. 특히 결정 경계와 표면이라는 서로 다른 결함 영역을 각각의 특성에 맞는 분자로 처리함으로써 고효율과 안정성을 동시에 확보할 수 있는 가능성을 제시했다. 연구를 주도한 홍성준 에너지연 박사는 "이번 성과는 건물 창문이나 자동차 선루프, 휴대용 기기 등에 적용할 수 있는 고효율 유연 태양전지의 상용화를 앞당길 핵심 원천기술이 될 것"이라며 "향후 고성능 차세대 태양전지 제품군으로 응용해 친환경 재생에너지 시장에서 기술 경쟁력을 높여 나가겠다"고 말했다. 이번 연구는 에너지연 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며 연구 결과는 국제 학술지 'ACS Applied Materials & Interfaces' 4월호에 게재됐다. 유기 분자를 순차