[붙임] 연구결과 개요

1.연구배경

최근 전 세계적으로 탄소중립과 재생에너지 확대에 대한 관심이 높아지면서, 차세대 태양전지 기술로 페로브스카이트 태양전지(perovskite solar cells)가 주목받고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 높은 광흡수율과 뛰어난 전하 이동 특성, 그리고 상대적으로 저렴한 제조 공정으로 인해 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 에너지 변환 장치로 기대를 모으고 있다.

그러나 페로브스카이트 태양전지의 상용화에는 여전히 몇 가지 주요한 기술적 과제가 존재한다. 그중에서도 가장 큰 문제는 결정 성장의 불균일성, 계면 불안정성, 외부 환경(열, 습기 등)에 대한 내구성 부족 등으로 인한 장기적 안정성의 확보 미비이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다양한 첨가제(additive)를 도입해 페로브스카이트 박막의 결정 품질을 향상시키고, 계면의 물리·화학적 특성을 개선하려는 연구가 활발히 진행되고 있다.

하지만 기존에 사용되던 많은 첨가제는 대부분 비휘발성 유기물 또는 고분자 기반 물질로, 박막 내에 잔류물이 남아 계면 불균일성을 유발하거나 장기 신뢰성에 악영향을 미칠 수 있다. 또한 첨가제 제거를 위한 추가 공정이 요구되며, 이는 상용화를 위한 생산 효율성과 비용 측면에서 걸림돌로 작용해왔다.

이에 따라, 자연 유래의 승화성 고체 첨가제와 같은 친환경적이면서도 공정 단순화에 기여할 수 있는 새로운 접근 방식이 필요한 시점이다. 본 연구에서는 천연 유기화합물인 캠퍼(camphor) 및 그 유도체인 캠퍼퀴논(camphorquinone)의 분자 특성과 승화 메커니즘에 주목하여, 이를 페로브스카이트 박막의 결정 제어 및 계면 안정화에 효과적인 첨가제로 활용하고자 하였다. 특히, 제작 공정 중 단계적으로 승화하여 잔류물 없이 사라지는 특성을 통해 기존 첨가제의 한계를 극복하고, 고효율·고안정성을 동시에 구현할 수 있는 새로운 해결책을 제시하고자 했다.

2.연구내용

본 연구에서는 자연 유래의 승화성 고체 첨가제인 캠퍼와 그 유도체인 캠퍼퀴논을 활용하여, 페로브스카이트 태양전지(PSC)의 결정 형성 및 계면 안정성 향상을 위한 새로운 소재 및 공정 전략을 제시하였다.

연구진은 먼저 캠퍼와 캠퍼퀴논의 분자 구조적 특성 및 열적 승화 거동을 정밀 분석하고, 이들이 페로브스카이트 박막 형성 과정에서 어떤 방식으로 작용하는지를 규명하였다. 특히 캠퍼퀴논의 경우, 제조 공정 중 단계적으로 승화(Stepwise volatilization)됨으로써 결정 성장 방향 제어, 결함 밀도 저감, 계면 품질 향상 등 다중 효과를 유도하는 것으로 밝혀졌다.

구체적으로, 캠퍼퀴논을 첨가한 경우 페로브스카이트 박막은 보다 정렬된 결정 구조와 우수한 결정성을 확보하였으며, 이는 전자·정공 수송 특성 개선으로 이어졌다. 전자현미경(SEM), 스침각 X-선 회절(GIWAXS), 실시간 포토루미네센스(insitu PL) 분석 등을 통해, 캠퍼퀴논이 결정 성장 단계에서 핵 형성과정에 간섭하며 결정 성장을 유도하는 메커니즘을 시각적으로 확인할 수 있었다.

그 결과, 캠퍼퀴논 기반 PSC는 최대 25.00%의 광전변환효율(PCE)을 달성였다. 이는 기존 비첨가제 대비 현저한 성능 향상이며, 더불어 장기 안정성 평가에서 해당 소자는 국제 표준인 ISOS-L-1 프로토콜에 따라 MPPT(maximum power point tracking) 조건에서 1000시간 이상 구동 시 T90(초기 효율의 90% 이상 유지)을 유지하였고, 이는 기준 소자의 T80(500시간)보다 약 두 배 향상된 결과이다.

무엇보다도 첨가제로 사용된 캠퍼퀴논은 공정 후 완전히 승화하여 박막에 잔류하지 않음으로써, 계면 불균일성 문제를 방지하고 후처리 공정을 생략 가능하게 하며, 이는 공정 단순화와 상용화 가능성 제고라는 측면에서 매우 유의미한 성과라 할 수 있다.

3.기대효과

본 연구에서 제안한 자연 유래 승화성 첨가제 기반의 페로브스카이트 태양전지 제조 기술은 고효율과 고안정성을 동시에 구현함으로써, 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 한층 앞당길 수 있는 핵심 기반 기술로 평가된다.

첫째, 제조 공정 중 첨가제가 단계적으로 승화하여 박막 내에 잔류하지 않는 특성은 후처리 없이도 고품질의 결정성과 균일한 계면을 확보할 수 있게 하며, 이는 소자의 신뢰성과 수명을 획기적으로 개선하는 데 기여한다. 이를 통해 생산 공정의 단순화 및 비용 절감이 가능해지고, 대면적 태양전지 모듈로의 확장성 또한 확보된다.

둘째, 본 연구에 활용된 캠퍼 및 캠퍼퀴논은 천연 유래의 친환경 물질로, 독성이 낮고 자원 확보가 비교적 용이하다는 장점을 지닌다. 이는 향후 태양전지 산업에서의 지속가능성(sustainability) 및 환경·사회·지배구조(ESG) 요소를 충족하는 데 있어 중요한 기반을 제공할 수 있다.

셋째, 25% 수준의 높은 PCE와 장시간 구동 안정성 확보는, 페로브스카이트 태양전지가 실제 실외 환경에서 장기 운용이 가능한 수준으로 진입했음을 시사하며, 기존의 실리콘 기반 태양광 기술을 보완하거나 대체할 수 있는 실질적인 경쟁력 확보로 이어질 수 있다.

결과적으로 본 연구는 친환경 소재 기반의 기능성 첨가제 설계와 그 응용 가능성을 입증함으로써, 향후 전자재료·에너지소재 분야에서 다양한 자연 유래 소재 활용 전략의 폭을 넓히는 데 기여할 것으로 기대된다.

[붙임]  용어설명

1.페로브스카이트 태양전지 (Perovskite Solar Cell, PSC)

페로브스카이트 구조(ABX₃)를 갖는 결정 물질을 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지. 실리콘 대비 제조가 간단하고 효율이 높아 주목받고 있음.

2.광전변환효율 (Power Conversion Efficiency, PCE)

태양광 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 효율. 예: PCE가 25%면 100의 빛 에너지 중 25만큼을 전기로 바꾼다는 뜻.

3.승화성 고체 (Sublimable Solid)

고체에서 액체를 거치지 않고 직접 기체로 바뀌는 물질. 드라이아이스처럼 잔류물을 남기지 않아 박막 공정에 유리함.

4.캠퍼퀴논 (Camphorquinone, CQ)

캠퍼에 산화기를 붙여 만든 유도체. 캠퍼(camphor)는 녹나무에서 유래한 물질로, 박하향이 나는 친환경 유기화합물이다. 향료나 약용 성분으로 오랫동안 사용되어 왔다. 캠퍼에 산성 작용기를 추가할 결우 단계적으로 승화하며 결정 형성에 작용한 뒤 박막에서 완전히 사라짐에 따라 고품질 박막을 합성할 수 있다.

결정성 (Crystallinity)

결정 입자들이 규칙적으로 배열된 정도. 결정성이 높을수록 전자 이동이 원활해져 태양전지의 성능이 높아짐.

6 .ISOS-L-1 프로토콜

국제 표준에 따른 장기 안정성 테스트 방식. 고온·공기·광 조건에서 태양전지 성능을 평가함.

7.MPPT (Maximum Power Point Tracking)

태양전지가 낼 수 있는 최대 전력을 실시간으로 추적하며 측정하는 방식. 실제 운전 환경과 가장 유사한 평가법.

[붙임] 그림설명

그림설명. 자연 유래 고체 첨가제인 캠퍼퀴논의 단계적 승화과정을 통한 페로브스카이트 태양전지 성능 향상. 페로브스카이트 박막의 결정 품질이 향상돼 효율은 약 9% 이상, 수명은 2배 이상 길어졌다.