UNIST, ‘캠퍼 유도체’로 태양전지 효율과 수명 동시 향상

양창덕 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구진은 녹나무의 물질을 첨가해 고품질 페로브스카이트 박막을 합성했다. 사진은 녹나무./국립생물자원관

녹나무에서 유래한 물질로 태양전지 박막의 품질을 높인 연구 결과가 나왔다. 드라이아이스처럼 고체에서 액체를 거치지 않고 직접 기체로 바뀌어 흔적도 없이 날아가 버리는 이 물질의 승화성을 활용한 성과다.

양창덕 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과 교수 연구진은 녹나무의 물질을 첨가해 고품질 페로브스카이트 박막을 합성했다고 29일 밝혔다. 잔류 물질이 없어 태양전지의 수명과 효율을 개선하고, 공정을 단순화해 제조 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

페로브스카이트 구조를 갖는 결정 물질을 광 흡수층으로 사용하는 태양전지의 페로브스카이트 박막은 수많은 결정 입자로 이뤄져 있다. 결정 크기가 크고 배열이 고를수록 전자 흐름이 원활해지고 구조가 단단해져, 전지의 효율과 수명이 향상된다. 이런 고품질 구조를 만들기 위해 첨가제를 쓰는데, 첨가제가 제조 후에도 남아 있으면 오히려 성능 저하의 원인이 되기도 한다.

연구진은 이 문제를 해결하기 위해 ‘캠퍼퀴논(camphorquinone)’을 박막 첨가제로 썼다. 캠퍼퀴논은 녹나무 추출물인 캠퍼(camphor)에 산화 작용기가 추가된 물질이다. 캠퍼처럼 고체에서 바로 기체로 날아가는 승화성이 있고, 캠퍼와 달리 단계적으로 승화된다. 1차 열처리 과정에서 결정 씨앗이 균일하게 만들어지도록 돕고 일부 승화되며, 나머지는 결정이 본격적으로 성장하는 단계까지 박막 내에 충분히 머무르다가 2차 열처리 과정에서 완전히 승화된다.

연구 논문의 제1저자인 박지원 연구원은 “캠퍼 퀴논은 작용 시점을 결정 성장 단계에 맞춰 조절할 수 있으면서도 박막에 아무런 잔여물을 남기지 않는다”며 “이러한 특성 덕분에 고품질 박막을 만들 수 있었다”고 설명했다.

이 결정 박막을 사용한 태양전지는 25.2%의 광전변환효율(PCE)을 기록했다. 광전변환효율은 태양광 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 효율을 말한다. 첨가제를 쓰지 않은 대조군(23.0%)보다 약 9.6% 높은 수치다. 또 실제 작동 환경을 모사한 MPPT 조건에서는 1000시간 동안 초기 효율의 90% 이상을 유지하며, 대조군 대비 2배 이상 향상된 수명 성능을 보였다. MPPT는 인공 태양 아래에서 태양전지가 최대출력을 내도록 설정한 상태로, 가장 까다로운 수명 평가 기준 중 하나다.

양창덕 교수는 “페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 자연에서 유래한 친환경 물질로 풀 수 있다는 점에서 의미가 있다”며 “태양광 산업의 지속 가능성과 기술 고도화를 함께 이끌 수 있는 기술”이라고 말했다.

연구 결과는 친환경 에너지 분야 최고 권위 학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science)’에 지난 21일 게재됐다.

참고 자료

Energy & Environmental Science(2025), DOI: https://doi.org/10.1039/D4EE03897E

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