성균관대, 국제 공동 연구로 '차세대 페로브스카이트 박막' 개발

하나의 소재로 최고 수준 태양전지·LED 구현

광전자 소자·소재 분야 전반에 널리 활용 전망

[서울=뉴시스] (왼쪽 위부터 시계 방향으로) 신성식 성균관대 성균나노과학기술원 교수, 남성식 성균관대 박사, 유정완 한국화학연구원 박사, 데인 디퀼레츠 프린스턴대 교수, 코너 돌란 UC 샌디에이고 박사, 데이비드 페닝 UC 샌디에이고 교수.  (사진=성균관대 제공) 2026.11.02. [email protected] *재판매 및 DB 금지

[서울=뉴시스]이예인 인턴 기자 = 성균관대학교 성균나노과학기술원 연구팀이 한국화학연구원, 미국 UC 샌디에이고, 프린스턴대학교와 함께 차세대 페로브스카이트 반도체 박막을 개발하고, 하나의 소재로 최고 수준의 태양전지·발광다이오드(LED)를 동시에 구현해냈다.

2일 성균관대에 따르면 신성식 성균나노과학기술원 교수가 공동 교신저자로 참여한 이번 연구 성과는 국제 학술지 '사이언스'(Science)에 게재됐다.

제조비가 저렴하고 공정이 간단한 페로브스카이트는 빛을 전기로 바꾸는 태양전지나 전기를 빛으로 바꾸는 LED 등 차세대 전자제품의 핵심 소재로 주목받는다.

그러나 용액을 굳혀 얇은 막 형태로 만들 때 미세한 알갱이들이 엉겨 붙으며 표면에 결함이 생기는 한계가 있다. 이 결함은 빛을 받아 생긴 전하를 가두거나 사라지게 해 장치의 성능과 수명을 떨어뜨린다.

연구팀은 서로 다른 물질이 섞일 때 녹는 온도가 낮아지는 '공융' 현상에서 실마리를 찾았다. 높은 온도에서 녹는 특수 물질 염화메틸암모늄(MACl)과 할로겐화 아연(ZnX₂)을 섞으면 더 낮은 온도에서 녹기 시작한다는 점에 주목했다.
 
박막을 약 100도로 가열하자, 결정 경계면의 혼합물이 얇은 액체층으로 변했다. 원자가 액체에서 고체보다 약 1만 배 빠르게 움직이기 때문에 결정들이 빠르게 합쳐져 크고 깨끗한 결정으로 성장했다.

또한 성장을 도운 MACl은 열처리 과정에서 휘발되고, 남은 아연은 결정 경계로 모여 결함을 막아줬다.

이렇게 만든 박막은 지금까지 보고된 페로브스카이트 박막 중 가장 뛰어난 품질을 보였다. 전하 수명은 최장 수준인 약 295㎲, 표면 재결합 속도는 0.3cm/s로 페로브스카이트 중 가장 낮았다.

이를 적용한 태양전지는 광전변환 효율 26.5%를 기록했고, 같은 구조의 태양전지 중 공인 최대값인 개방전압 1.208V를 달성했다.

특히 태양전지와 같은 소자 구조로 만든 LED는 외부양자효율 26.1%를 기록해, 하나의 소자 구조로 빛을 흡수하는 발전기와 빛을 내는 조명 역할을 모두 할 수 있음을 보여줬다.

신성식 교수는 "휘발성 공융 혼합물로 페로브스카이트의 결정 결함을 근본적으로 줄이는 성장법을 세계 최초로 개발했다"며 "고가의 특수 장비 없이 제작할 수 있어 소재 분야 전반에 활용될 것"이라고 말했다.


◎공감언론 뉴시스 yein020528