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[이윤석 교수 연구팀] 자연 유래 킬레이트제 기반 기술로 Solar RRL 표지 논문 선정

작성자
김민아
작성일
2025-08-05
조회
564

 제1저자 김성헌 박사 (지도교수 이윤석 교수)


[연구 필요성]

태양광 발전은 탄소 배출을 줄이고, 지속 가능한 에너지 체계를 구축하기 위한 핵심적인 재생에너지원이다. 이 가운데 페로브스카이트 박막 태양전지는 가볍고 유연한 특성, 뛰어난 광전 변환 효율, 그리고 저비용 제조 공정이라는 장점을 기반으로 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

그러나, 결함으로 인한 성능 저하와 장기 안정성 부족은 여전히 상용화를 가로막는 가장 큰 문제로 지적되고 있다. 특히, 결정화 과정과 구동 중 형성되는 다양한 결함들이 박막의 표면과 결정립계(grain boundary)에 집중되며, 전하 재결합과 수명 단축을 유발한다. 이러한 결함은 비방사 재결합 중심(nonradiative recombination center)으로 작용하며, 이온 이동의 경로가 되어 물질 분해나 상 분리 현상을 일으키기도 한다.

특히, 납(Pb) 기반 깊은 준위 결함(deep-level defect)은 전지 수명을 단축시키고, 안정성을 크게 떨어뜨리는 주요 원인으로 지목된다. 이에 따라, 이러한 결함을 효과적으로 제어하고 부동화(passivation)하는 기술이 절실하다. 



[연구 목적]

본 연구는 페로브스카이트 태양전지 내 납(Pb) 결함을 효과적으로 부동화하기 위해, 킬레이트 결합(chelation)개념을 도입하고자 한다.
이를 통해 결함 밀도 저감, 전하 수송 특성 향상, 비방사 재결합 억제, 장기 안정성 확보를 동시에 달성하는 것이 목표이다.


[연구 내용]
  • 킬레이트 결합은 하나의 분자가 여러 작용기를 통해 금속 이온과 다중 결합을 형성하는 방식으로, 단일 결합보다 높은 안정성을 제공한다.
  • 연구팀은 천연 유래 킬레이트제 후보물질들을 선별하여, 구조 및 작용기 수에 따라 납 이온과의 상호작용 강도를 비교 분석했다.
  • 그 결과, 세 개의 카르복실기(-COOH)와 하나의 하이드록시기(-OH)를 지닌 구연산(citric acid)이 납 이온과 가장 강력한 결합을 형성하는 것으로 확인됐다.
  • 구연산을 페로브스카이트 박막에 적용해, 결정립계 및 표면 결함 밀도를 효과적으로 줄이고, 전하 재결합 손실을 억제하였다.


[연구 결과]
  • 구연산 처리로 인해 개방전압(open-circuit voltage)이 향상되었으며,
    광전 변환 효율(PCE)은 20.7% → 22.0%로 증가하였다.
  • 봉지(encapsulation) 공정 없이도공기 중에서 150시간 연속 작동 시 초기 효율의 90% 이상 유지,
    → 우수한 장기 안정성확보


[연구 의의 및 파급효과]
  • 구연산과 같은 친환경적이고 저렴한 천연 소재를 결함 제어 소재로 활용한 것은 매우 독창적인 접근이다.
  • 단순한 효율 향상뿐 아니라, 추가 보호 없이도 장시간 안정적으로 작동 가능한 수준의 내구성을 실현함.
  • 장기 안정성 부족이라는 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 문제에 대한 실질적 해결책을 제시했다.
  • 제안된 킬레이션 기반 결함 제어 전략은 태양전지를 넘어
    → 광센서, 발광소자 등 다양한 페로브스카이트 기반 광전자 소자로의 응용 가능성도 높다.
  • 차세대 태양전지의 실용화를 앞당기고, 탄소중립 사회 실현 및 재생에너지 기술 대중화에 기여할 수 있는 핵심 기술로 평가된다.


[성과 및 게재 정보]
 
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