고려대, 페로브스카이트 태양전지 '닿기만 해도' 내부 구조 재편

△ ‘접촉 유도 양이온 상호작용(CCI)’의 개념도와 가역적 활성화·비활성화 거동

단순한 물리적 접촉만으로 페로브스카이트 태양전지의 효율을 26.25%까지 끌어올렸다. 고려대학교(총장 김동원) 건축사회환경공학부 노준홍 교수 연구팀이 페로브스카이트 내부 구조를 바꾸는 새로운 양이온 상호작용을 발견했다.

*페로브스카이트: 광흡수 계수가 높고 전하 이동 능력이 뛰어나 차세대 고효율 태양전지 핵심 소재로 주목받는다

페로브스카이트는 습기나 열에 민감해 성능이 저하되지 않도록 첨가제를 넣거나 표면에 화학약품 처리를 해야만 했다. 이 방법은 성능 향상에는 효과적이지만, 실제 공정에서 영구 결합과 양이온 교환 등 다양한 상호작용이 한꺼번에 일어나기 쉬워 어떤 작용이 핵심 역할을 하는지 분리 해석하기 어려웠다.

이 문제를 해결하기 위해 연구팀은 페로브스카이트 2차원 박막과 3차원 박막을 각각 따로 만든 뒤, 단순히 맞닿게 하는 실험을 설계했다. 그 결과 영구적인 화학반응이나 접합 형성 없이 두 층이 맞닿기만 해도 새로운 양이온 상호작용이 나타나고, 떨어지면 다시 원래 상태로 돌아가는 가역적 변화를 발견했다. 

연구팀이 발견한 ‘접촉 유도 양이온 상호작용’은 표면에서 시작된 계면 상호작용이 물질 내부 구조까지 바꿀 수 있음을 입증했다. 상호작용이 강할수록 분자의 움직임은 더 제한됐고, 구조도 안정적으로 유지됐다. 또, 상호작용이 작동하는 상태에서 추가 열처리를 하면 3차원 페로브스카이트의 이온 분포가 더 균일해지고, 결정 배열도 더 정돈됐다.

위 과정을 통해 구조가 정제된 페로브스카이트를 태양전지에 적용해 성능과 안정성을 향상시켰다. 광전변환효율은 최고 26.25%를 기록했으며, 2,000시간 구동 후에도 초기 효율의 95.2%를 유지했다. 가속 열화 시험을 바탕으로 추정한 예상 작동 수명은 약 24,800시간으로 나타났다. 

*광전변환효율: 태양전지가 받은 빛 에너지가 전기 에너지로 얼마만큼 손실 없이 전환됐는지를 나타내는 에너지 변환 효율 지표

*예상 작동 수명: 태양전지 효율이 초기값의 80%로 감소할 때까지의 시간을 뜻하는 수명 지표

노준홍 교수는 “이번 연구의 핵심은 페로브스카이트가 단순한 접촉만으로도 새로운 계면 상호작용을 유도하여 구조 재편까지 이끌 수 있음을 밝혀내고, 이를 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 확보할 수 있는 기술로 활용하였다는 데 있다”며 “이번 발견은 페로브스카이트뿐 아니라 다양한 차세대 결정성 재료의 계면 설계에도 새로운 단서를 제공할 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구 성과는 에너지 분야 최고 권위 과학 저널인 ‘Nature Energy(IF=60.1)’ 온라인에 3월 25일 게재됐다. 

*논문명: Contact-Triggered Molecular Interactions Enable Structural Refinement of Perovskite Layers in Solar Cells

*DOI: 10.1038/s41560-026-02027-4

*URL: https://doi.org/10.1038/s41560-026-02027-4

이번 연구는 산업통상자원부 에너지기술평가원 에너지인력양성사업 (유무기복합형 태양전지 에너지혁신연구센터), 과학기술정보통신부 한국연구재단 무탄소에너지핵심기술개발사업 및 중견연구자지원사업 등의 지원을 받아 수행됐다.

[연구진 사진]

△ (왼쪽부터) 고려대학교 건축사회환경공학부 노준홍 교수(교신저자), 한국과학기술원 응용과학연구소 이승민 연구원(공동제1저자), 서울대학교 정밀기계공동연구소 장연우 선임연구원(공동제1저자)