박테리오파지 이용한 페로브스카이트 태양전지개발

박테리오파지 표면의 아미노산을 활용한 페로브스카이트 태양전지 발표

화학첨가물과 달리 환경 오염 및 공정 비용 감소

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 성균관대 나노공학과 전일 교수, 부산대 에너지공학과 오진우 교수팀, 그리고 일본 교토대  김형도 교수팀이 화학첨가물을 대신해 박테리오파지를 활용한 박막을 사용하는 페로브스카이트 태양전지 제작에 성공했다. 광전효율은 22.3%로 바이오 물질을 적용해 제작한 페로브스카이트 태양전지 중에서는 가장 높은 성과를 냈다.

신재생 에너지 중에서 가장 각광받고 있는 태양광 발전의 핵심은 패널인데 기존 실리콘 패널은 크고 무거우며 설치 장소가 한정적이어서 효율성이 떨어졌다. 그러나 페로브스카이트 태양전지는 저온 공정 및 스핀코팅으로 제작해 비용 절감을 할 수 있어 태양광 패널의 새로운 전환기를 맞고 있다. 

페로브스카이트는 1839년 러시아 우랄 산맥에서 발견된  광물에서 발견됐는데 각각 2개의 양이온과 3개의 음이온으로 이뤄진 소재를 말한다. 태양광 패널에는 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 광활성층에 사용되고 있다.

페로브스카이트 태양전지의 위상은 우리나라가 단일 최고라 할 수 있다. UNIST (울산과학기술원) 석상일 교수팀은 2017년 6월 30일자 ‘사이언스(Science)’에 태양전지의 당시 최고 효율을 갱신했다고 발표했다. 석 교수팀은 페로브스카이트 박막의 결함을 막기 위해 할로겐화물 자리에 요오드 이온(I₃)을 사용해 에너지 변환 효율 22.1%까지 도달했고, 2020년 10월 2일, 이온의 종류와 비율을 조정해 결함을 줄여 당시 최고 광전 효율인 25.17%를 기록하며 한단계 업그레이드에 성공했다. 국내에서 석 교수팀 뿐만 아니라 UNIST (울산과학기술원) 김진영 교수팀과 한국에너지기술연구원 김동석 박사 연구팀은 할로겐화물을 대신한 포메이트(HCOO-)를 음이온 물질로 첨가해 효율 25.6%에 이르는 효율을 달성했다. 

페로브스카이트 태양전지는 보통 결정을 생성할 때 나타날 수 있는 결함을 보정하고 광전 효율을 높이기 위해 화학 첨가물, 예를들어 탄소나노튜브를 박막에 사용하여 결정 결함을 방지하고 광전 효율을 높인다. 그러나 탄소나노튜브는 친환경적이지 않으면서 공정 과정이 복잡해 비용적인 측면에서도 부담이 되었다.

그래서 국내에서는 페로브스카이트의 단점인 수분과 열을 보완, 핫-프레싱(hot-pressing)을 포함한 새로운 공정을 활용하여 납 중독 해결 등 여러 연구가 활발히 진행되고 있고 최근에는 페로브스카이트 태양전지의 박막을 화학첨가물을 대신 세균을 숙주로 하는 바이러스인 박테리오 파지로 제작한 연구를 발표했다.

이 태양전지는 M13 박테리오파지의 pVIII 부분과 표면 펩타이드를 조작해 페로브스카이트 박막에 적용한 것이다. pVIII 부분은 박테리오파지의 주요 외피단백질로 이 단백질을 이용해 페로브스카이트 결정립을 둘러싸 페로브스카이트 층을 형성하는 것이다.  

또한,  박테리오파지는 배양을 통한 대량 생산이 가능하며 박테리오 표면의 아미노산이 페로브스카이트의 납이온과 반응해 결정 생성을 촉진시킨다. 연구진은 박테리오파지 페로브스카이트 결정 생성에 핵심 요소인 KKK-타입 아미노산만 유전자 조작으로 증폭했다.

2021년 9월 2일자로 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스 (Advanced Energy Materials)에 광전 효율이 22.3%인 박테리오파지 활용 페로브스카이트 태양전지가 게재됐다.