한양대학교 연구진이 손상을 스스로 복구하는 태양전지 기술을 개발했다. 한양대는 화학공학과 고민재 교수 연구팀이 습기에 의해 성능이 저하된 페로브스카이트 태양전지가 스스로 성능을 회복하는 반복 자가치유 기술을 개발했다고 29일 밝혔다. 이번 연구는 태양전지의 고질적 문제인 수분 취약성을 극복하고 상용화의 핵심인 안정성을 획기적으로 높였다는 점에서 학계의 이목이 집중된다. 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지 후보로 주목받으며 이미 27% 수준의 높은 광전변환효율을 달성하고 있다. 그러나 수분에 노출되면 내부 구성 성분이 휘발되면서 구조가 무너지는 화학적 불안정성이 상용화의 큰 걸림돌로 지목됐다. 이에 연구자들은 그간 수분 침투를 막는 베리어층(봉지) 강화 등에 집중해 왔으나, 일단 분해가 시작되면 원래 상태로 되돌릴 수 없다는 한계가 존재했다. 고민재 교수 연구팀은 기존의 '차단' 방식에서 벗어나 소재 스스로 상태를 '복구'하는 메커니즘에 주목했다. 이를 위해 나무처럼 가지가 반복적으로 뻗은 형태의 3차원 고분자 '덴드리머'를 페로브스카이트 박막에 도입했다. 덴드리머는 내부에 다양한 기능기(화학 작용기)를 고밀도로 담을 수 있어 소량 첨가만으로도 강력한 화학적 작용을 수행한다. 설계된 덴드리머 내부의 카복실레이트(-COO-) 기능기는 열화 과정에서 빠져나가는 포름아미디늄(FA) 성분을 수소결합으로 포집해 두는 '휘발성 저장고' 역할을 한다. 동시에 외곽의 아민(-NH) 기능기는 납(Pb)과 상호작용하여 소재 전체를 안정화한다. 덴드리머가 열화 시 핵심 성분을 임시 저장했다가 다시 건조한 환경이 되면 이를 재공급해 원래의 결정 구조로 되돌리는 핵심 엔진으로 작동한다는 설명이다. 연구팀은 가혹한 고온·고습 조건에서 소자를 의도적으로 노출시킨 뒤 다시 건조 조건으로 전환하는 실험을 통해 이 메커니즘을 증명했다. 실험 결과, 26.2%의 광전변환효율을 보유하고 있는 덴드리머 기반 소자는 고습과 건조가 반복되는 사이클을 10회 거친 후에도 초기 효율의 90% 이상을 회복하며 성능을 유지했다. 반면 덴드리머가 없는 일반 소자는 열화가 누적되며 성능이 빠르게 급감했다. 고민재 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 단순히 억제하는 수준을 넘어, 열화 이후에도 성능을 되살리는 '회복 메커니즘'을 소재 내부에 내장했다는 점에서 의미가 크다"며 “향후 이 개념은 태양전지뿐만 아니라 발광다이오드, 광검출기 등 환경 스트레스에 취약한 다양한 광전자소자에 폭넓게 적용될 수 있을 것"이라고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐으며, 성과는 재료과학 분야 국제 저명 학술지 '어드밴스드 머티리얼스'에 지난 22일 표지논문으로 게재됐다. 해당 논문은 한양대 구본기 연구원과 김우연 연구원이 공동 제1저자로, 고민재 교수가 교신저자로 참여했다. 박주성 기자 wn107@ekn.kr
2026-01-29 14:53 박주성 기자 wn107@ekn.kr
