▲ 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)  © 특허뉴스

화학첨가물 대신 세균에 기생하는 바이러스, 박테리오파지로 페로브스카이트 태양전지의 광전효율을 높인 이색적인 연구가 나왔다.

유기합성이 필요한 고분자 첨가물과 달리 박테리오파지는 ‘배양’이라는 생물학적 방식으로 일정 크기의 입자를 대량으로 얻을 수 있어 상대적으로 경제적이라는 설명이다.

한국연구재단은 성균관대학교 전일, 부산대학교 오진우 교수 연구팀과 교토대학교 김형도 교수 연구팀이 바이러스를 첨가해 페로브스카이트 결정의 질을 높이고 페로브스카이트 태양전지 소자가 태양광을 전기에너지로 전환하는 광전효율을 높였다고 2일 밝혔다.

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

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

이를 통해 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 있었다는 설명이다.

만들어진 페로브스카이트 태양전지는 22.3%의 광전효율을 기록했다. 이는 M13 박테리오파지가 없는 기존 소자의 20.9% 대비 향상된 것이다.

지난해 연구팀이 M13 박테리오파지를 페로브스카이트 태양전지에 적용하는 접근을 최초로 보고하였을 당시 광전효율 20.1%에서 더욱 향상된 결과이다.

유전자 조작을 통해 박테리오파지 표면에 페로브스카이트와 결합이 가장 잘되는 아미노산인 라이신(Lysine)을 증폭시켜 페로브스카이트와의 결합력을 더욱 향상시킨 결과라는 설명이다.

이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’에 9월 2일 게재(온라인)되었다.