KIST 조한익 박사팀 태양전지 신기술 개발

꿈의 소재 그래핀, 태양전지 수명 연장시킨다

[솔라투데이 최홍식 기자] 최근 국내연구진에 의해 태양전지의 수명과 효율성을 높이는 기술이 개발되어 태양광발전 산업계가 주목하고 있다. 태양전지는 태양광발전에 있어 에너지원이 되는 빛을 전기에너지로 바꿔주는 역할을 하기에 핵심기술로 꼽힌다.

태양전지는 무기물질과 유기물질이 섞여있는 페로브스카이트 구조를 많이 이용한다. 페로브스카이트는 높은 광흡수성과 우수한 전하 이동능력이라는 특징 때문에 태양전지의 높은 광전변환화효율을 구현할 수 있는 차세대 소재로 급부상하고 있다.

또한, 실리콘 등 기존 무기 태양전지에 비해 물질 원가가 매우 저렴하고 용액공정이 가능하다는 장점이 있어 단기간에 상용화 될 전망이다.



	▲ 그림1(그림 설명 본문 하단 참조)

KIST, 그래핀 활용 페로브스카이트 태양전지 제작 성공
우리나라는 페로브스카이트를 활용한 태양전지 제조 기술에 있어 세계적인 기술 수준을 갖고 있다. 많은 연구진들이 더 효율적이고 안전한 태양전지를 개발하고 있는 가운데 최근 한국과학기술연구원(KIST) 전북분원 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사와 광주과학기술원 신소재공학부 김동유 교수 공동연구팀이 저가소재인 용액분산 그래핀을 이용하여 고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지를 제작하는데 성공했다.

그동안 페로브스카이트 태양전지가 많은 가능성을 보였음에도 불구하고 관련 연구는 성능 향상을 위해 계면층으로 삽입되고 있는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 높은 산성과 흡습성이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 단축시키는 부분에 집중되어 있었고, 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구는 초기 수준에 머물러 있었다.

기존보다 광전변환효율 40% 높인 기술 개발
이에 조한익 박사와 연구팀은 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구개발을 진행해왔고, 이번에 성과를 거뒀다. 연구팀은 새로운 계면층으로 전기적 전도성, 기계적 유연성, 화학적 안정성을 겸비한 용액분산 그래핀을 도입하여, 기존 전도성 고분자 기반 소자 대비 약 40% 가량 높은 광전변환효율과 약 3배 높은 소자 수명을 개발했다.

또한, 용액분산 그래핀을 기반으로 하는 페로브스카이트 박막은 결정의 방향성 및 결정도가 획기적으로 향상되는 것을 발견했다. 연구팀은 이번 개발에 대해 “이 발견은 그래핀 자체의 우수한 특성 외에, 그래핀과 페로브스카이트의 상호작용이 페로브스카이트 결정 특성 및 전반적인 소자 성능·안정성에 영향을 미친다는 것을 밝혀낸 것이다”고 말했다.



	▲ 플라스틱 기판에 구현한 태양전지 모듈의 유연성

더 크고 유연한 페로브스카이트 태양전지 모듈도 구현
조한익 박사와 연구팀은 효율성과 수명을 높인 페로브스카이트 태양전지 개발에서 한 걸음 나아가 용액분산 그래핀을 활용해서 더 크고 유연한(Flexible) 페로브스카이트 태양전지 모듈 제작도 성공했다.

한편, 용액분산 그래핀을 통해 페로브스카이트 태양전지 소자 제작에 필요한 모든 세부 조건들을 간단한 용액공정에 적용할 수 있게 됐고, 이는 기존소자(0.05cm2)보다 200배 큰 10 cm2의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 모듈을 구현할 수 있게 했다.

태양전지 상용화 앞당기는 초석이 되길 기대
조한익 박사는 “이번 연구는 용액분산 그래핀의 대면적 소자 응용의 첫 성공사례”라며, “이를 통한 저비용·고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 구현은 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 중요한 초석이 될 것이다”라는 생각을 밝혔다.

한편, 이번 연구는 미래창조과학부 지원아래 한국과학기술연구원 기관고유사업으로 수행되었으며, 지난 11월 1일 Elsevier에서 발간하는 나노에너지(Nano Energy, IF: 11.553) 온라인에 게재됐다.

(그림1 설명)
(a) 광전류밀도-전압 곡선으로, PEDOT:PSS 기반 소자 대비 용액분산 그래핀(MFGO) 기반 소자의 광전변환효율이 우수한 것을 보여주는 결과이다. 모든 태양전지 성능 평가 요소(개방전압, 단략전류밀도, 충진율)들이 균일하게 상승한 것을 알 수 있다. (b) 페로브스카이트 태양전지를 공기 중에 보관하였을 때, 시간(날)에 따른 광전변환효율의 변화를 나타내는 그래프이다. PEDOT:PSS 소자의 경우 10일이 채 되지 않아 광전변환특성이 사라지는 것이 발견되었고, 용액분산 그래핀 소자의 경우 약 30일까지도 광전변환효율이 약 7%로 유지되는 것을 보여주고 있다.

(그림2 설명)
해당 그림은 PEDOT:PSS와 용액분산 그래핀(MFGO) 위에서 페로브스카이트 전구체의 결정화 거동에 대한 모식도이다. 작은 이온들 간 이온결합으로 이뤄진 페로브스카이트 결정박막은 PEDOT:PSS와 같은 특정 전하를 띄는 표면보다 용액분산 그래핀과 같은 화학적으로 안정한 표면에서 우수한 결정성을 갖는다는 것을 밝혀냈다.

(자료 : 한국과학기술원 전북분원 조한익 박사)

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