김호범 연구실의 핵심 연구 중 하나는 유무기 할라이드 페로브스카이트를 기반으로 한 고효율 태양전지 개발이다. 특히 평면 이종접합 구조에서 전하 생성, 분리, 수송, 재결합이 어떻게 일어나는지를 정밀하게 이해하고, 이를 바탕으로 소자의 광전변환효율과 장기 안정성을 동시에 높이는 방향에 초점을 맞춘다. 연구실은 페로브스카이트 박막의 결정성, 조성, 표면 상태뿐 아니라 전자수송층·정공수송층과의 계면 특성이 최종 성능을 좌우한다는 점에 주목하여 소재와 소자를 함께 최적화하는 접근을 수행한다. 구체적으로는 계면층 설계, 주석 산화물 기반 전자수송층 개선, 첨가제 도입을 통한 결정 성장 제어, 결함 패시베이션, 수분·열·광에 대한 내구성 향상 전략을 연구한다. 논문과 과제에서 드러나듯이 비콜로이드 전구체 기반 전자수송층, 균일한 결정 형성을 유도하는 첨가제, 그리고 대면적 모듈 적용 가능성을 고려한 공정 기술이 주요 관심사이다. 이러한 연구는 단일 셀 수준의 효율 향상에 그치지 않고, 실제 모듈화와 제조 공정 확장성까지 고려한다는 점에서 실용성이 높다. 이 연구의 궁극적 목표는 고효율·고안정성·저비용이라는 세 가지 요구를 동시에 만족하는 차세대 태양전지 플랫폼을 구축하는 데 있다. 페로브스카이트 태양전지는 차세대 에너지 소자로서 매우 유망하지만 상용화를 위해서는 열화 메커니즘 규명과 신뢰성 확보가 필수적이다. 연구실은 계면 공학과 공정 최적화를 통해 이러한 병목을 해결하고, 향후 적층형 광전자 소자 및 대면적 에너지 시스템으로 확장 가능한 재료 기술을 제시하고자 한다.

연구실의 또 다른 중요한 축은 페로브스카이트 박막 내부의 변형(strain), 상분리, 핵생성, 결정 성장 거동을 정밀하게 제어하여 소자 성능과 수명을 향상시키는 것이다. 할라이드 페로브스카이트는 연성 이온성 결정이라는 특성 때문에 제조 공정, 기판과의 열팽창 차이, 조성 변화, 결함 축적 등에 의해 내부 응력이 쉽게 발생한다. 이러한 변형은 밴드 구조, 전하 이동, 비방사 재결합, 상안정성에 영향을 주어 결과적으로 효율 저하와 열화를 유발할 수 있다. 이를 해결하기 위해 연구실은 변형의 기원과 측정 방법을 이해하고, 첨가제 공학과 조성 제어를 통해 더 균일하고 안정한 결정 구조를 형성하는 방향으로 연구를 전개한다. 특히 초균일 결정 형성, 상분리 억제, 결정다형 제어, 단결정 또는 고품질 박막 구현이 핵심 전략으로 보인다. 최근 연구 동향과 과제 내용에서도 나타나듯이 전구체 화학, 핵생성 속도 조절, 표면 및 입계 패시베이션을 결합해 결함 밀도를 낮추고 고온·고습·광조사 조건에서도 구조적 안정성을 유지하는 기술을 개발하고 있다. 이러한 연구는 단순히 특정 소자의 수명을 늘리는 수준을 넘어, 페로브스카이트 재료의 근본적인 열화 원인을 이해하는 데 기여한다. 변형 공학과 결정 성장 제어가 정립되면 태양전지뿐 아니라 발광다이오드, 광검출기 등 다양한 광전자 소자에 공통적으로 적용될 수 있다. 따라서 본 연구는 재료과학적 깊이와 응용 확장성을 동시에 갖는 주제로서, 차세대 광전자 재료의 상용화 기반을 마련하는 데 매우 중요하다.

김호범 연구실은 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트 기반 발광다이오드, 특히 근적외선(NIR)과 적색 영역의 고효율 발광 소자 개발에도 집중하고 있다. 이 연구는 용액공정이 가능하면서도 우수한 발광 특성을 보이는 페로브스카이트 재료를 활용해 차세대 디스플레이, 바이오 이미징, 센서, 광통신용 광원으로 이어질 수 있는 소자를 구현하는 것을 목표로 한다. 근적외선 발광은 기존 가시광 LED와는 다른 결함 민감성과 전하 동역학 특성을 보이므로, 재료 설계와 소자 구조의 정교한 최적화가 필수적이다. 연구실은 Pb-Sn 기반 발광체, 결정다형 도입, 표면 패시베이션, 전하 구속 구조 설계 등을 통해 발광 효율과 안정성을 동시에 끌어올리는 방향으로 연구를 수행한다. 또한 정상상태 및 시간분해 광발광, 전기발광, 마이크로파 전도도 등 고급 광분광 분석과 연계하여 결함 상태와 전하 재결합 메커니즘을 해석한다. 이를 바탕으로 비방사 손실을 줄이고, 협대역 발광, 높은 외부양자효율, 장시간 구동 안정성을 달성하려는 전략이 특징적이다. 이 연구는 차세대 광전자 산업에서 매우 큰 파급력을 가진다. 적색 및 근적외선 발광 소자는 디스플레이의 색 순도 향상, 웨어러블 및 생체신호 모니터링용 광원, 야간 감지 및 통신 소자 등으로 폭넓게 응용될 수 있다. 연구실은 재료의 결정 구조와 결함 동역학을 정밀하게 제어함으로써, 기존 발광 소자의 한계를 넘어서는 고성능 페로브스카이트 LED 플랫폼을 구축하고자 한다.

연구실은 재료 및 소자 연구를 넘어, 인공지능과 디지털 트윈을 접목한 자동화 실험 플랫폼 구축에도 참여하고 있다. 이는 적층형 반도체 및 유무기 혼합 광전자 소자의 제작, 측정, 데이터 축적, 성능 예측을 자동화함으로써 기존의 경험 중심 개발 방식을 데이터 중심·고속 탐색 방식으로 전환하려는 시도이다. 복잡한 조성 변수와 공정 조건을 갖는 페로브스카이트 및 광전자 재료 연구에서 자동화와 디지털화는 개발 속도와 재현성을 크게 높일 수 있는 핵심 수단이다. 이 접근에서는 로봇 기반 실험, 공정 데이터 수집, 웹 기반 가상 실험 환경, 소자 성능 예측 모델, 실험-시뮬레이션 연계 체계가 중요하다. 실제 과제 내용에서도 자동 제작·평가 시스템과 소자 정보를 디지털화한 플랫폼을 통해 가상 환경에서 성능을 예측하고, 효율적인 후보 물질 및 구조를 도출하는 방향이 제시되어 있다. 이는 단순 자동화가 아니라, 실험 결과를 지속적으로 학습하여 다음 실험 조건을 제안하는 지능형 연구 환경으로 발전할 가능성을 갖는다. 장기적으로 이러한 연구는 소재 개발의 패러다임을 바꾸는 기반 기술이 될 수 있다. 고효율 태양전지, 발광다이오드, 적층형 반도체 소자처럼 변수 공간이 넓은 시스템에서 인공지능 기반 자동화는 시행착오를 줄이고 상용화 가능한 조합을 빠르게 찾아낸다. 따라서 연구실의 디지털 트윈 기반 연구는 광전자 소재 연구의 생산성과 정밀도를 높이는 동시에, 미래형 자율실험실 구축에 기여하는 전략적 연구 영역으로 볼 수 있다.