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[IT뉴스]박남규 교수 연구팀, 차세대 태양전지 수명 대폭 늘리고 최고 효율 달성

온카뱅크관리자

2026-09-04 10:57:25

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 내부 광활성층의 구조를 바꿔 페로브스카이트 태양전지의 효율과 수명을 향상시킨 연구가 나왔다. 게티이미지뱅크 제공.
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 국내 연구팀이 차세대 태양전지로 여겨지는 페로브스카이트 태양전지 설계의 기존 패러다임을 바꿔 태양전지의 효율과 수명을 대폭 향상시켰다. 이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 크게 앞당길 기점이 될 전망이다.
 성균관대는 박남규 화학공학부 교수팀이 이상욱 화학공학부 교수팀과 함께 페로브스카이트 태양전지 속 유기 분자의 원자 단 한 개를 바꿔 전자와 정공의 이동 통로를 제어하는 신개념 계면 설계 기술을 개발했다고 3일 밝혔다. 
 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지보다 저렴하고 효율성이 높아 차세대 태양전지로 주목받는다. 실리콘 태양전지보다 수명이 짧다는 게 단점이다.  
 페로브스카이트 태양전지의 수명은 태양전지 내 '전자'와 '정공'의 흐름이 막히면서 단축된다. 
 태양전지가 햇빛을 받으면 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 정공이 전선을 타고 이동하며 전류가 흐른다. 태양전지가 전기를 원활하게 생성하기 위해서는 전자와 정공이 서로 반대 방향의 통로를 통해 각 전극으로 막힘없이 이동해야 한다. 
 기존에는 전자와 정공의 흐름을 돕기 위해 화학물질을 첨가하는 '도핑' 방식을 이용했다. 그러나 시간이 흐르며 첨가된 화학물질이 원위치에서 이동하거나, 태양전지 내 다른 화학물질과 반응을 일으키는 문제가 발생한다. 전자와 정공이 원활하게 흐르지 못하는 것이다.
 연구팀은 화학물질을 첨가하는 대신 페로브스카이트 태양전지를 구성하는 물질의 결정 연결 모양을 바꾸는 혁신적인 해결책을 냈다. 
 페로브스카이트 태양전지에서 빛을 흡수해 전자와 정공을 만드는 핵심 부분을 '광활성층'이라고 한다. 광활성층 내부는 아이오딘과 납으로 구성된 팔면체 모양의 결정이 스펀지처럼 연결된 모양이다. 기존에는 이 광활성층에 화학물질을 도핑했다.
 연구팀은 광활성층을 구성하는 팔면체 결정 속 원자를 단 한 개 바꿨다. 질소(N)를 넣었더니 팔면체 결정이 단일 사슬 형태를 만들어 전자가 막힘없이 흘렀다. 황(S)을 넣었더니 팔면체 결정은 이중 사슬 구조로 연결돼 정공이 잘 빠져나가도록 유도했다. 
 원자 하나를 바꾸어 결정이 이어지는 길을 조절, 전자와 정공이 달려갈 '전용 고속도로'를 양쪽에 동시에 뚫어준 셈이다.
 연구팀이 이 구조를 태양전지 양쪽 계면에 적용한 결과 세계 최고 수준인 27.61%의 광전변환 효율(공인 27.19%)을 기록했다. 
 태양전지를 665제곱센티미터의 대면적 모듈로 만들었을 때에도 22.26%의 높은 광전변환효율을 보였다. 2000시간 동안 연속으로 빛을 비추는 가혹한 환경에서도 초기 성능의 97.8%를 유지하며 뛰어난 내구성을 입증했다. 
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 <img alt="연구자들 사진. 왼쪽부터 장야란 성균관대 화학공학부 연구원, 박남규 교수, 이상욱 교수다. 성균관대 제공." class="thumb_g_article" data-org-src="https://t1.daumcdn.net/news/202609/04/dongascience/20260904105410697agzq.png" data-org-width="680" dmcf-mid="03zDGbYCi1" dmcf-mtype="image" height="auto" src="https://img1.daumcdn.net/thumb/R658x0.q70/?fname=https://t1.daumcdn.net/news/202609/04/dongascience/20260904105410697agzq.png" width="658">
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 연구자들 사진. 왼쪽부터 장야란 성균관대 화학공학부 연구원, 박남규 교수, 이상욱 교수다. 성균관대 제공.
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 박 교수는 페로브스카이트 태양전지 분야에서 세계적인 석학으로 손꼽힌다. 그는 "이번 연구는 인위적인 화학 도핑 없이 단일 원자 치환을 통한 결정 연결구조의 변화만으로 전자와 정공의 흐름을 완벽하게 제어할 수 있음을 세계 최초로 규명한 성과"라며 "향후 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 크게 앞당길 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔다.
 &lt;참고자료&gt; doi: 10.1038/s41563-026-02722-3
 [김소연 기자 lecia@donga.com]
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