성균나노과학기술원 전일 교수 연구팀은 천연 재료를 기반으로 한 고효율 페로브스카이트 태양전지를 꾸준하게 개발해왔다. 세계적 에너지 소재 분야 학술지인 어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)에 이어 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)에 지난 9일 새로운 연구 결과가 게재됐다.

전일 교수 연구팀은 지금까지 페로브스카이트 태양전지 분야에서 바이오 및 천연 소재 기반 첨가제 연구를 선도해 왔으며, 이어서 드물게 다뤄졌던 셀룰로스 계열 소재의 가능성을 탐색했다.(Adv. Mater. DOI:10.1002/adma.20241032) 이를 위해 설탕을 활용한 기존 중국 연구를 재현하려 했지만, 강한 수소결합(H-bonding)으로 인해 결정성 향상 효과가 나타나지 않았다. 그러나 실험 중 설탕에 열을 가해 카라멜화시키는 과정에서 오히려 결정성 향상에 긍정적인 영향을 주는 현상을 발견했고, 이를 계기로 셀룰로스 계열 천연 첨가제의 실질적인 활용 가능성을 열게 되었다.

이번에는 천연 유래 소재인 수크로스를 열분해하여 형성되는 캐러멜화 유도체(caramelized sucrose derivatives)를 태양전지의 첨가제로 활용했다.

수크로스는 일종의 비정제된 설탕으로 사탕수수 또는 사탕무로부터 추출된 천연 물질이다. 정제 및 재결정한 수크로스는 강한 수소 결합으로 인해 성능 저하가 나타났지만, 220℃에서 캐러멜화된 수크로스는 다량 Humin 생성으로 인해 광활성물질인 페로브스카이트의 결정 성장을 도와 결함을 줄이고 전하 이동을 개선함으로써 뛰어난 성능을 보였다.

그 결과, 해당 페로브스카이트 태양전지는 천연 첨가제를 사용한 사례 중 최고 수준인 25.26%(공인 인증 25.07%)의 전력 변환 효율(PCE)을 달성했다. 또한 1,000시간 연속 광 조사 이후에도 초기 효율의 80% 이상을 유지해 탁월한 장기 안정성을 입증했다. 공인 인증은 대구테크노파크(DGTP)에서 받았다.

전일 교수는 “생물학적 유래 소재 활용에 대한 선례를 확립한 의미 있는 연구”라며, “지속 가능한 친환경 기술로서 향후 차세대 광전변환소자 및 디스플레이 분야에 폭넓게 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단과 일본 JSPS KAKENHI의 지원을 받아 수행되었으며, 실험 장비는 SAINT-MBraun Application Laboratory와 MBraun Co. Ltd.의 Glove box를 활용했다.

※ 논문명: Natural and Nature-Inspired Biomaterial Additives for Metal Halide Perovskite Optoelectronics

※ 학술지: Advanced Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/adma.202410327

※ 논문명: A Sweeter Solution: Caramelized Sucrose Additives Render Eco-Friendly and High-Performance Perovskite Solar Cells

※ 학술지: Advanced Energy Materials

※ 논문링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202501911

캐러멜화된 수크로스를 첨가제로 사용한 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발