[대전=뉴스프리존] 이기종 기자= 한국연구재단(NRF)은 성균관대학교 나노공학과 전일 교수팀이 오진우 교수팀(부산대학교), 김형도 교수팀(교토대학교)과 공동으로 바이러스를 첨가해 페로브스카이트 결정의 질을 높이고 페로브스카이트 태양전지 소자가 태양광을 전기에너지로 전환하는 광전효율을 높였다고 9일 밝혔다.
차세대 태양전지 가운데 하나로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 광전효율 상승을 위해 고분자 등의 화학첨가물이 필요하다.
그동안 페로브스카이트의 경우 결정성장 및 표면 패시베이션(passivation)에 사용되는 기존 첨가물들은 일정하지 않은 길이와 합성 시 환경오염의 주범인 용매를 사용한다는 문제 등을 가지고 있다.
패시베이션(passivation)은 소재의 결함을 보정하기 위한 물리적, 화학적 방법으로 페로브스카이트 결정 표면의 결함을 보정하기 위해 주로 고분자 중합체, 단분자, 탄소나노튜브 등이 사용된다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 기존 화학첨가물 대신 배양을 통해 대량으로 얻을 수 있는 박테리오파지를 첨가물로 사용했다.
바이오 물질은 생분해성을 지니며 배양을 통한 대량생산이 가능해 기존 화학물질을 대체할 수 있는 차세대 친환경 재료로 주목받고 있다.
연구과정을 보면 너무 긴 고분자나 너무 짧은 단분자 대신 그레인(grain)에 딱 맞는 크기인 M13 박테리오파지(폭 6.6nm, 길이 880nm)를 사용했다.
이 과정에서 박테리오파지 표면의 아미노산들이 페로브스카이트 표면의 납 이온과 결합해 페로브스카이트 결정성장을 촉진시키고 표면결함을 보정할 수 있음을 확인했다.
이를 통해 균일하면서 큰 페로브스카이트 결정의 형성을 유도, 광안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 박막을 구현했다.
이 연구결과에 의하면 연구팀에 의해 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 22.3%의 광전효율을 기록했고 M13 박테리오파지가 없는 기존 소자의 20.9% 대비 향상됐다.
이는 유전자 조작을 통해 박테리오파지 표면에 페로브스카이트와 결합이 가장 잘되는 아미노산인 라이신(Lysine)을 증폭시켜 페로브스카이트와의 결합력을 더욱 향상시킨 결과이다.
연구 관계자는 “페로브스카이트 필름의 품질을 좌우하는 입자의 크기 제어 및 페시베이션 효과 향상을 기존 화학첨가물이 아닌 친환경적인 바이오 물질로 해결함으로써 페로브스카이트 소자의 광전효율 극대화뿐만 아니라 화학물질로 인한 환경적인 문제도 개선할 수 있다”고 말했다.
이 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 개인기초연구(신진연구)사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행됐고 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)에 9월 2일 게재됐다.