최효성 화학과 교수 연구팀이 지난 3일 차세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 태양전지의 효율성과 안정성을 향상시킨 결함 제어 기술을 개발했다. 태양전지에 주로 사용되는 페로브스카이트는 유기 양이온, 납, 할로겐 원소로 이루어진 화합물로 페로브스카이트 구조 기반의 반도체 소재로 빛을 흡수한다. 다양한 금속 양이온과 결합할 수 있으며 생산 단가와 효율성에서 큰 활용도를 보여 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 

최 교수의 이번 연구는 페로브스카이트 태양전지가 상용화될 수 있는 재료적 가이드라인을 제시했다는 의의를 가진다. 해당 연구 논문은 재료과학 분야 세계적 학술지 'Joule'에 게재돼 그 성과를 인정받았다. 태양전지의 발전에 한 걸음 앞장선 최 교수를 만나 자세한 이야기를 나눴다. 

전 세계가 온실가스 배출 문제를 해결하기 위해 탄소중립 정책 등의 규제를 강화하고 있으나 에너지 수요는 꾸준히 증가하는 추세다. 태양전지는 그 수요를 해결할 중요한 대체재로 주목받고 있다. 그러나 기존의 실리콘 태양전지의 경우 높은 단가와 비효율성의 한계로 널리 보급되기에 어려움이 있었다. 

최 교수의 페로브스카이트 연구는 기존 태양전지의 한계를 극복하고, 차세대 태양전지 소재 및 소자 개발에 대한 원천 기술을 확보할 수 있다는 가능성을 보여줬다. 그는 이번 연구에서 '페로브스카이트 결함 제어', '비공유 상호작용을 통한 패시베이션 전략'라는 두 가지 요소에 집중했다. 

페로브스카이트 결함은 물질 내 원자나 이온 위치에 변화가 생겨 그 기능이 저하되는 결함이다. 최 교수는 여러 페로브스카이트 결함 중 낮은 형성 에너지로 인해 쉽게 발생할 수 있는 아이오딘 결함을 제어하는 데 집중했다.

그는 "페로브스카이트 결함은 마치 피부에 상처가 나고 감염되는 것과 같다"며 "상처가 생기면 해당 부위의 기능이 저하되는 것처럼 결함이 생길 경우 태양전지의 구조와 화학적 균질성이 손상되고 안정성이 훼손되기 때문에 태양전지의 효율과 안정성을 위해서는 제어가 필수적이다"고 말했다.

페로브스카이트 결함을 효과적으로 제어하기 위해서는 유사할라이드(주로 결함 제어를 위해 사용되는 할라이드 이온과 비슷한 크기의 전하를 가진 화합물)가 그 결함에 얼마나 강하게 결합하는지가 관건이다. 최 교수는 "결합 에너지를 조사해 본 결과 두 물질 간 비공유 상호작용 특성이 결합 에너지를 결정짓는 데 중요한 역할을 한다는 것을 확인했다"고 전했다. 

비공유 상호작용은 우리의 일상에서 중요한 역할을 하고 있다. 예를 들어 물 분자 사이의 비공유 상호작용인 수소 결합은 물이 끓는점과 녹는점을 가지도록 만들고, 상온에서 액체 상태로 안정적으로 존재할 수 있도록 한 단백질과 DNA 등의 생체 분자도 비공유 상호작용 덕분에 안정적인 3차원 구조를 유지할 수 있다. 

연구에서의 비공유 상호작용 활용은 전까지는 깊이 다루지 않았던 비공유 상호작용을 새롭게 조명했다는 점에서 의미가 깊다. 페로브스카이트 결함을 제어하기 위해서는 결함에 대한 결합 에너지 조사가 선행돼야 한다. 해당 결합 에너지를 결정하는 데 비공유 상호작용이 중요한 작용을 담당한다.

비공유 상호작용을 분석함으로써 최적의 유사할라이드 소재를 선별할 수 있고, 해당 소재가 페로브스카이트 조성에 활용되면 동일하게 작동되면서 결함을 최소화할 수 있다. 

최 교수는 유사할라이드를 초분자적 관점에서 접근한 새로운 패시베이션 전략(결함 부위를 화학적, 물리적으로 처리해 성능과 안정성을 향상시키는 기술)을 통해 태양전지 모듈의 효율을 향상시키고, 고습 환경에서의 장기적 안정성까지 크게 개선했다. 해당 연구 성과는 실제 환경에서도 신뢰성을 유지할 수 있도록 하며 차세대 태양전지로의 상용화 가능성을 높였다.  

사랑을 뜻하는 'LOVE'는 최 교수의 연구실인 'Lab for Optoelectronic and Versatile Energy Devices'의 약자다. 연구실 이름처럼 최 교수의 제자들에 대한 사랑은 각별했다. 올해로 10년차 교수로서 학생들을 가르치는 그는 "20명이 넘는 연구실 학생들이 같이 연구하며 성격도 밝아지고 좋은 기운을 얻어가는 것 같아 함께 연구하는 순간이 가장 행복하다"며 애정을 드러냈다.  

그는 이번 연구 역시 학생들의 공이 가장 컸다고 말했다.

"2년 넘는 기간 동안 진행된 연구라 쉽지만은 않았어요. 그러나 그때마다 연구실 학생들이 큰 힘이 됐습니다. 한 번은 연구실 장비가 고장 나서 연구가 막힐뻔 한 적도 있는데 한 학생이 밤낮으로 열심히 업무를 진행해서 복구할 수 있었어요. 이렇게 학생 스스로가 본인의 연구에 적극적으로 임하는 모습을 볼 때마다 저도 더욱 열심히 해야겠다는 좋은 자극을 받아요." 

또한 최 교수는 다양한 연구를 펼칠 한양인들에게도 조언을 남겼다.

"두 가지 조언을 꼭 해주고 싶어요. 먼저 마음을 나눌 수 있는 친구 2~3명은 꼭 사귀었으면 해요. 특히 박사과정이라면 그 긴 생활 동안 슬럼프가 올 수밖에 없는데 그때마다 친구가 있으면 그 시간도 나중에는 정말 즐거웠던 순간으로 기억될 거거든요. 또한 체력은 무조건 키웠으면 합니다. 운동을 꾸준히 하면서요. 건강한 몸이 받쳐줘야 건강한 정신으로 이끌 수 있다고 믿거든요. 자신의 꿈을 위해 꾸준히 노력하는 모든 한양인을 응원합니다. 화이팅!"