성균관대, '도핑 없는' 차세대 태양전지 개발…세계 최고 효율 달성

공인 광전변환효율 27.19%로 세계 최고 수준

도핑 없이 결정구조만으로 전하 제어 원리 발견

[서울=뉴시스] (왼쪽부터) 성균관대 화학공학부 장야란 박사(제1저자), 박남규 종신석좌교수, 이상욱 교수. (사진=성균관대 제공) 2026.09.04. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 성균관대학교는 화학공학부 연구진이 차세대 페로브스카이트 태양전지의 효율과 수명을 대폭 향상시키는 새로운 계면 설계 기술을 개발했다고 4일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 햇빛을 받으면 마이너스(－) 전기를 띤 '전자'와 플러스(＋) 전기를 띤 '정공'을 만들어낸다. 태양전지가 전기를 생성하기 위해서는 전자와 정공이 막힘없이 이동해야 하기에, 기존에는 이를 돕고자 외부 화학물질을 첨가하는 '도핑' 기법을 주로 활용해 왔다.

다만 이러한 방법은 시간이 지나면 첨가된 화학물질이 소자 내부에서 반응을 일으켜 전지의 수명을 떨어뜨린다는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 외부 첨가제를 투입하는 대신 물질의 미세한 '결정 연결 모양' 자체를 바꿔 해결했다. 황(S)을 포함한 분자는 이중 사슬 형태의 결정을 만들어 정공이 원활하게 빠져나가도록 유도했고, 질소(N)를 포함한 분자는 단일 사슬 형태를 만들어 전자가 매끄럽게 흐르도록 했다.

연구팀은 원자 하나를 바꿔 결정이 이어지는 길을 조절함으로써, 전자와 정공이 각각 전극으로 달려갈 수 있는 '전용 고속도로'를 조성한 셈이라고 설명했다.

실험 결과, 이러한 설계 기술이 양쪽 계면에 적용된 태양전지는 세계 최고 수준인 27.19%의 공인 광전변환효율을 기록했다. 또한 대면적(655㎠) 모듈에서도 22.26%의 효율을 나타냈으며, 2000시간 동안 연속으로 빛을 비추는 환경에서도 초기 성능의 97.8%를 유지하며 내구성을 입증했다.

연구를 이끈 박남규 화학공학부 종신석좌교수는 "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 것"이라고 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단 리더연구자지원사업의 지원을 받아 수행됐으며, 성균관대 화학공학부 장야란 박사(제1저자)와 이상욱 교수가 함께 참여했다. 연구 결과는 국제 학술지 '네이처 머티리얼즈(Nature Materials)'에 게재됐다.


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