왼쪽부터 차정범 서울시립대 박사과정학생, 김민 교수, 충남대 이재원 교수, 군산대 양정엽 교수(사진=서울시립대)

서울시립대학교는 김민 화학공학과 김민 교수 연구팀이 이재원 충남대 교수, 양정엽 군산대 교수 연구팀과 공동으로 재료공학 분야 세계적 권위의 국제 학술지 'Advanced Functional Materials(IF 18.5, JCR 상위 4.8%)'에 논문을 게재하고 해당 호의 Inside Back Cover(속 안표지) 논문으로 선정됐다고 11일 밝혔다.

게재된 논문 제목은 'Cyclic Structured Ionic Molecules Formulating Multi-Dimensional Perovskite Structures of Highly Stable and Efficient Perovskite Solar Cells'이며, 이번 연구에는 차정범 서울시립대 지능반도체학과 연구원, 백도훈 화학공학과 연구원, 신재관 군산대 연구원이 공동 제1저자로 참여해 핵심적인 역할을 수행했다.

차세대 태양전지의 유력후보인 페로브스카이트 태양전지(PSC)는 기존 연구 대부분 습도 30% 미만 엄격한 불활성 대기 및 독성 용매에 의존해 대량생산과 상용화에 제약이 있었다. 대안으로 주목받았던 친환경 용매인 에틸아세테이트는 높은 휘발성 탓에 결정화가 불규칙하게 진행되는 특성이 있다. 이로 인해 필름에 결함과 핀홀이 형성돼 결과적으로 소자 효율과 안정성이 크게 저하되는 문제가 있었다.


공동연구팀은 이를 해결하기 위해 고리 크기를 조절하는 두 가지 N-헤테로사이클 암모늄 이온성 액체를 설계했다. 연구팀은 5원환 구조의 피롤리디늄 양이온과 6원환 구조의 피페리디늄 양이온을 에틸아세테이트 용매에 첨가함으로써, 상대습도 50% 미만의 대기 조건에서도 고품질 페로브스카이트 박막 제조가 가능함을 증명했다.

해당 소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 최고 광전변환효율 24.7%를 달성했으며, 가혹한 고온다습 조건에서 1000시간 경과 후 초기 효율의 90% 이상을 유지하는 탁월한 내구성을 입증했다.

본 연구는 독성 용매와 불활성 분위기 없이도 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 친환경적·확장 가능한 공정을 제시했다는 점에서 상용화를 향한 중요한 진전으로 평가된다. 특히, 이온성 액체의 고리 크기를 체계적으로 조절하는 전략은 향후 차세대 태양전지 및 발광 소자 분야로의 응용이 기대된다.

김 교수는 “친환경 용매와 이온성 액체 분자 도입으로 페로브스카이트 박막의 결정도 및 태양전지 특성을 획기적으로 향상시킨 연구 성과”라며 “고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 앞당기는 핵심 전략을 제시한 중요한 연구 결과”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단(NRF)의 신진연구 과제와 산업통상부의 지원을 받아 수행됐다.

권미현 기자 mhkwon@etnews.com

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