성균관대학교 전일 교수, 부산대학교 오진우 교수, 교토대학교 김형도 교수 공동연구팀
M13박테리오파지 구조와 페로브스카이트 태양전지 적용원리/성균관대학교 제공
성균관대학교 나노공학과 전일 교수와 부산대학교 에너지공학과 오진우 교수, 일본 교토대학교 김형도 교수 공동연구팀이 화학첨가물 대신 세균에 기생하는 박테리오파지를 활용해 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 높일 수 있는 기술을 개발했다.
이번 연구는 유기합성이 필요한 고분자 첨가물과 달리 생물학적 방식을 이용해 입자의 대량생산과 함께 페로브스카이트 결정의 질을 높이는 획기적인 기술이라는 평가를 받고 있다.
연구팀은 페로브스카이트 태양전지 결정 생성에 필요한 화학첨가물 대신 배양을 통해 대량으로 얻을 수 있는 박테리오파지를 첨가물로 활용했다.
화학첨가물은 결정 생성 시 나타날 수 있는 결함을 보정하고 광전효율을 높이기 위한 필수 재료지만 용매 사용이 까다로운데다 공정 비용이 높고 생성된 물질의 순도도 떨어진다.
연구팀은 너무 긴 고분자나 너무 짧은 단분자 대신 그레인(grain) 크기인 M13박테리오파지(폭 6.6nm, 길이 880nm)를 사용했다.
유전자 조작을 통해 박테리오파지 표면에 페로브스카이트와 결합이 가장 잘되는 아미노산인 라이신을 증폭시켜 페로브스카이트와의 결합력을 더욱 향상시켰다.
박테리오파지 표면의 아미노산들이 페로브스카이트 표면의 납 이온과 결합해 페로브스카이트 결정성장을 촉진시키고 표면결함을 보정할 수 있음을 확인했다.
균일하면서 큰 페로브스카이트 결정의 형성을 유도, 광안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 박막을 구현해 낼 수 있었다.
실험 결과 22.3%의 광전효율을 기록했으며 M13박테리오파지가 없는 기존 소자 대비 20.9% 의 효율 향상을 보였다.
향후 태양전지는 물론 포트디텍터, LED 등 다양한 기기 및 광전소자에 적용될 수 있을 것으로 전망된다.
이번 연구는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스’ 9월 2일 온라인판에 게재됐다.
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