세균 속 바이러스가 태양전지 성능 끌어올렸다

성균관대-부산대 공동연구 국제학술지 발표
페로브스카이트 태양전지에 박테리오파지 적용
태양전지 박막 표면결함을 보정하는 역할 해줘
기존 태양전지 효율 20.9%에서 22.3%로 향상

M13 박테리오파지의 아미노산이 페로브스카이트 표면의 납 이온과 결합해 얇은 필름형태로 만드는데 있어서 접착제 역할을 한다. 성균관대 전일 교수 제공

[파이낸셜뉴스] 사람과 여러 생물들의 생명을 위협하는 바이러스가 있는가 하면 잘 활용하면 인류에 도움을 주기도 한다. 국내 연구진이 세균에 기생하는 바이러스를 이용해 태양전지의 성능을 높였다. 바이러스는 다른 금속이나 화학혼합물과 달리 숙주에 배양해 지속적으로 생산해 낼 수 있어 경제적이다.

성균관대 전일 교수팀과 부산대 오진우 교수팀은 페로브스카이트 태양전지에 바이러스를 첨가해 광전효율을 최대 2.7%p까지 끌어올렸다.

전일 교수는 5일 "바이러스를 사용한 태양전지 광전효율을 측정한 결과 최대 23.6%까지 기록했다"고 말했다.

기존 태양전지가 20.9%인 것을 감안하면 상당한 진전이다. 또한 한국에너지기술연구원(KIER)에서 22.3%효율을 공인 인증 받았다.

페로브스카이트 태양전지는 필름을 얇고 균일하며 큰 결정으로 만들어야 내구성과 광전효율이 향상된다. 지금까지 페로브스카이트 조각들을 붙여 필름을 만들때 화학첨가물을 사용해왔다.

유전자를 조작한 박테리오파지가 페로브스카이트 결정을 크고 균일하게 결함시킨다. 유전자를 변형시키지 않은 박테리오파지(위)보다 KKK-type의 박테리오파지가 가장 성능이 우수한 페로브스카이트 태양전지를 만들어냈다. 성균관대 전일 교수 제공

연구진은 대장균에 기생하는 바이러스, 즉 박테리오파지에 주목했다. 박테리오파지 표면의 아미노산은 페로브스카이트 표면의 납 이온과 결합해 얇은 필름형태로 만드는데 있어서 접착제 역할을 한다는 것을 밝혀냈다.

다양한 아미노산들과 페로브스카이트와의 상호작용 정도를 계산 시뮬레이션으로 확인 후 가장 상호작용이 좋은 아미노산 3가지를 찾아냈다.

선택된 아미노산은 라이신(K, Lysine), 아르기닌(R, Arginine), 메티오닌(M, Methionine)이며, 이들을 각각 박테리오파지 표면에 존재하는 2800개의 펩타이드에 아미노산 구조에 따른 기능을 부여했다.

첨가된 박테리오파지들은 유전자 조작으로 염기서열이 특화된 기능성 바이오 소재다. 박테리오파지를 기능화 시키지 않은 기본형(wild-type)과 세 종류의 변형형(KKK-type, RRR-type, MMM-type)으로 제작·배양해 사용했다.

너무 긴 고분자나 너무 짧은 단분자 대신 페로브스카이트 결정에 딱 맞는 크기인 M13 박테리오파지(폭 6.6nm, 길이 880nm)를 사용한 것이다.

실험결과 KKK-type의 박테리오파지가 가장 성능이 우수한 페로브스카이트 태양전지를 만들어냈다.

박테리오파지는 유전물질을 가지고 있는 생체재료로서 대량 배양하더라도 항상 동일하게 얻을 수 있다.

또한 연구목적에 맞게 유전자 조작을 통해 추가적 기능을 부가할 수 있다. 오진우 교수는 "새로운 기능 즉, 페로브스카이트와의 상호작용을 강화한 M13 박테리오파지 제작과 확보를 쉽게 할 수 있다"고 말했다.

이번 연구결과는 재료과학 분야 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)'에 2일 게재됐다.

[e-mail] 김만기 기자