성균관대 신성식 교수팀, 낮엔 태양광으로 전기 생산·밤엔 LED로 빛내는 무결점 소재 개발

성균관대학교는 나노공학과 신성식 교수 연구팀이 하나의 장치로 낮에 태양광을 받아 전기를 만들고 밤에는 빛을 내는 '태양전지+발광다이오드(LED) 소자'를 구현할 수 있는 무결점 소재를 개발했다고 25일 밝혔다.

이번 연구는 울산과학기술원(UNIST), 한국화학연구원과 공동으로 진행했다.

이번에 개발한 소재는 전자를 잘 전달하는 산화주석(SnO₂)이라는 물질을 더 깨끗하고 균일하게 만드는 데 성공한 것이다. 기존엔 이 물질 내 결함이 많아 재결합이 발생하는 문제가 있었다. 연구팀은 리간드로 사용된 시트르산을 과량으로 첨가해 이 문제를 해결했다. 이를 통해 결함 생성이 억제된 무결점 소재를 합성하는 데 성공했다.

이 무결점 소재 기반의 태양전지는 빛을 받아 전기를 만드는 효율이 26.4%로 매우 높았다. 동시에 빛을 내는 LED 효율도 24.8%에 달했다. 이처럼 하나의 장치에서 두 가지 기능을 모두 잘 구현해 낸 것은 세계적으로 드문 일이다.

이번 연구는 하나의 소자에서 차세대 고성능 페로브스카이트 태양전지와 고성능 LED를 동시에 구동할 수 있는 무결점 소재를 개발한 데 의의가 있다. 또한 이 기술은 복잡한 장비 없이도 간단하고 빠르게 만들 수 있어 앞으로 태양전지나 조명 제품을 더 싸고 쉽게 생산하는 데 도움이 될 것으로 기대된다.

신 교수는 "이번 연구로 고성능 태양전지와 LED를 동시에 구현할 수 있는 길이 열렸다"며 "친환경 에너지를 더 널리 활용할 수 있는 발판이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구 논문은 세계적인 과학 저널 '네이처 에너지(Nature Energy)'에 지난 4일 온라인 게재됐으며 6월호 표지 논문으로 선정됐다. 신 교수와 UNIST 석상일 교수가 교신저자, 성균관대 서갑경 박사와 남성식 연구원, 이다슬 박사, 한국화학연구원 유정완 박사가 공동 제1저자로 각각 참여했다. 신 교수 연구팀은 이번 무결점 소재 개발로 2년 연속 네이처 에너지에 논문을 싣게 됐다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 지원을 받아 이뤄졌다.