바이러스 사용한 높은 효율의 태양전지 박막 구현
바이러스 사용한 높은 효율의 태양전지 박막 구현
  • 한국연구저널
  • 승인 2021.10.15 14:52
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화학첨가물 대신 박테리오파지로 광흡수층(페로브스카이트 결정) 결함 보정
기사와 직접적 관련 없는 이미지 Ⓒgettyimagesban

바이오 물질은 생분해성을 지니며 배양을 통한 대량생산이 가능해 기존 화학물질을 대체할 수 있는 차세대 친환경 재료로 주목받고 있다. 특히 차세대 태양전지 가운데 하나로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 광전효율 상승을 위해 고분자 등의 화학첨가물이 필요하다. 그러나 기존 페로브스카이트 결정성장 및 표면 패시베이션에 사용되는 첨가물들은 일정하지 않은 길이와 합성 시 환경오염의 주범인 용매를 사용한다는 문제 등을 가지고 있다.

 

이에 화학첨가물 대신 세균에 기생하는 바이러스, 박테리오파지로 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 높인 이색적인 연구가 나왔다. 유기합성이 필요한 고분자 첨가물과 달리 박테리오파지는배양이라는 생물학적 방식으로 일정 크기의 입자를 대량으로 얻을 수 있어 상대적으로 경제적이라는 설명이다.

 

전일(성균관대학교), 오진우(부산대학교) 교수 연구팀과 김형도 교수(교토대학교) 연구팀은 바이러스를 첨가해 페로브스카이트 결정의 질을 높이고 페로브스카이트 태양전지 소자가 태양광을 전기에너지로 전환하는 광전효율을 높였다라고 밝혔다.

페로브스카이트 결정 생성 시 나타날 수 있는 결함을 보정하고 광전효율을 높이기 위해 기존에는 화학첨가물이 이용됐었다. 하지만 화학첨가물은 다루기 까다로운 용매를 사용하며 공정이 비싸고 생성된 물질의 순도가 떨어지는 아쉬움이 있었다.

 

연구팀은 기존 화학첨가물 대신 배양을 통해 대량으로 얻을 수 있는 박테리오파지를 첨가물로 사용하였다. 너무 긴 고분자나 너무 짧은 단분자 대신 그레인(grain)에 딱 맞는 크기인 M13 박테리오파지(6.6nm, 길이 880nm)를 사용한 것이다.

이를 통해 박테리오파지 표면의 아미노산들이 페로브스카이트 표면의 납 이온과 결합해 페로브스카이트 결정성장을 촉진하고 표면결함을 보정할 수 있음을 확인하였고 균일하면서 큰 페로브스카이트 결정의 형성을 유도, 광안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 박막을 구현해 낼 수 있었다는 설명이다.

 

■ M13 박테리오파지의 구조와 페로브스카이트 태양전지에의 적용원리 ■
a) M13 박테리오파지의 pVIII 부분과 표면 펩타이드를 조작하여 페로브스카이트 층에 적용한 모식도
b) 유전자 조작을 하지 않은 야생형(wild type) M13 박테리오파지
c) 유전공학을 통해 박테리오파지로 발현시킬 수 있는 아미노산의 종류 [출처 : 성균관대학교 전일 교수]
■ 페로브스카이트 주물질인 납과 13개 아미노산의 상호작용 계산 ■
결합력이 좋은 아미노산을 M13 박테리오파지 표면에 발현시키고자 함. 페로브스카이트의 주 물질인 납(Pb)과의 상호작용을 계산하였고, 그 결과를 바탕으로 최적의 아미노산을 도출하였음. [출처 : 성균관대학교 전일 교수]
■ 유전자 조작을 통한 기능화 박테리오파지의 표면 변화의 개략도 ■
야생형(wild-type)에서 KKK-, RRR- 및 MMM-type 박테리오파지로의 전환 및 기능이 부여된 M13 박테리오파지의 서열을 확인하는 크로마스(Chromas) 결과.
a) 야생형(wild-type); b) KKK-type; c) RRR-type; d) MMM-type. [출처 : 성균관대학교 전일 교수]

만들어진 페로브스카이트 태양전지는 22.3%의 광전효율을 기록하였는데 이는 M13 박테리오파지가 없는 기존 소자의 20.9% 대비 향상된 것으로 지난해 연구팀이 M13 박테리오파지를 페로브스카이트 태양전지에 적용하는 접근을 최초로 보고하였을 당시 광전효율 20.1%에서 더욱 향상됐다. 더불어 유전자 조작을 통해 박테리오파지 표면에 페로브스카이트와 결합이 가장 잘되는 아미노산인 라이신(Lysine)을 증폭시켜 페로브스카이트와의 결합력을 더욱 향상한 결과라고 설명한다.

 

과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 개인기초연구(신진연구)사업, 미래소재디스커버리사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구성과는 재료과학 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’92일 게재(온라인)되었다.

 

 


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