재료연, 물에 잠겨도 끄떡없는 태양전지 개발

- 낚시 그물 구조 모사해 물에 강한 페로브스카이트 태양전지 구현

낚시 그물 구조 계면층을 이용한 수분 저항성 페로브스카이트 태양전지 개념도. (자료제공: 한국연구재단)

물 침수 후에도 성능을 유지하는 밴드갭별 고효율 페로브스카이트 태양전지. (자료제공: 한국연구재단)

비를 맞아도 물에 잠겨도 성능을 유지하는 차세대 태양전지 기술이 개발됐다. 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점으로 꼽혀온 수분 안정성 문제를 해결해 차세대 태양전지의 상용화 가능성을 높였다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 한국재료연구원 김소연·임동찬 책임연구원 연구팀이 낚시 그물(Fishing-net) 구조를 모사한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성해 수분 침투를 막는 기술을 개발했다고 7월 21일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 가지면서도 낮은 비용으로 제작할 수 있어 차세대 태양전지의 가장 유력한 후보로 평가받고 있다.

하지만 페로브스카이트 소재는 수분과 산소에 매우 취약해 비나 습기에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 치명적인 약점이 있다. 지금까지는 두꺼운 보호막으로 외부의 물을 막는 방식이 주로 사용됐지만 제조 비용이 증가하고 유연성이 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 외부를 막는 대신 소재 자체를 물에 강하게 만드는 새로운 접근법을 제시했다. 금속 이온(Cu2+)을 연결 고리로, 단단한 유기분자(BCP)와 유연한 고분자(PEIE)를 결합해 낚시 그물처럼 촘촘한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성했다.

단단한 유기분자(BCP, Bathocuproine)와 유연한 고분자(PEIE, Polyethylenimine ethoxylated)는 물에 취약한 페로브스카이트 태양전지를 보호하기 위해 연구팀이 도입한 핵심 분자 소재들이다. BCP는 수분이 침투하지 못하도록 방어벽 역할을 해주고, PEIE는 단단한 BCP 사이를 부드럽게 연결해 접착제와 완충제 역할을 한다.

이 구조는 수분이 내부로 침투하는 것을 막는 동시에 태양전지 성능 저하의 원인인 이온 이동도 효과적으로 억제했다. 특히 기존 연구들과는 달리, 연구팀은 태양전지를 실제 물속에 반복적으로 담그는 침수 시험을 통해 내수성을 검증했다.

또한 별도의 글로브박스 없이 공기 중에서 제작한 태양전지로 26% 이상의 광변환 효율을 달성했으며, 반복적인 침수 시험 후에도 성능이 회복되는 우수한 내수성을 입증했다.

글로브박스는 보통 페로브스카이트 태양전지를 만들 때 수분, 산소 등을 완벽히 차단한 채 고순도 불활성 기체로만 채워진 밀폐 상자에서 까다롭게 작업하게 된다.

김소연·임동찬 책임연구원은 “이번 연구는 태양전지 소재 자체를 물에 강하게 만든 것이 가장 큰 차별점”이라며 “향후 대량생산 공정과 실리콘 태양전지와 결합한 탠덤 태양전지에 적용해 건물일체형 태양광과 영농형 태양광 등 다양한 분야에서 조기 상용화를 추진할 계획”이라고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업 및 한국재료연구원 기본사업의 지원으로 수행됐다. 연구 결과는 나노과학·나노기술 및 재료과학 분야 최상위 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터(Nano-Micro Letters)’에 7월 17일 게재됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]