[쿠키과학] ‘수분 약점 극복한 차세대 태양전지’… 재료연, ‘침수에도 성능 유지’ 기술 개발

비를 맞거나 물에 잠겨도 성능을 유지하는 차세대 태양전지 기술이 나왔다.

한국연구재단은 한국재료연구원(이하 재료연) 김소연·임동찬 박사팀이 낚시그물 구조를 모사한 분자 네트워크를 페로브스카이트 태양전지 계면에 형성해 수분 침투와 성능 저하를 동시에 막는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 근접한 발전 효율을 가지면서도 낮은 온도에서 용액으로 제작할 수 있어 생산 비용을 줄일 수 있는 차세대 기술로, 얇고 가벼워 건물 외벽이나 자동차, 웨어러블 기기 등 다양한 형태에 적용할 수 있다.

하지만 수분과 산소에 매우 약해 상용화에 어려움이 있었다.

특히 비를 맞거나 높은 습도에서 결정 구조가 쉽게 손상되고, 내부 이온이 이동하면서 발전 효율도 빠르게 떨어진다.

때문에 태양전지 바깥을 두꺼운 보호막으로 감싸 물을 차단하지만, 이는 제조공정이 복잡해지고 재질의 유연성을 떨어뜨리는 한계가 있었다.

이에 연구팀은 외부를 막는 대신 태양전지 내부 구조 자체를 물에 강하게 만드는 접근법을 제시했다.

연구팀은 구리이온을 연결축으로 단단한 유기분자 BCP와 유연한 고분자 PEIE를 촘촘히 연결했다.

그 결과 계면에 그물망처럼 빈틈이 적은 구조가 형성돼 물이 내부로 침투하는 통로를 줄이고, 동시에 성능 저하를 유발하는 이온 이동도 억제했다.

BCP는 수분을 막는 방어벽 역할을 하고 PEIE는 그 사이를 이어주는 접착제와 완충재 역할을 수행한다.

여기에 구리 이온이 각각의 분자를 단단히 연결하면서 안정적인 네트워크를 만든다.

연구팀은 일반적으로 사용하는 밀폐형 글로브박스 없이 일반 공기 환경에서 태양전지를 제작했다.

글로브박스는 수분과 산소를 완전히 제거한 공간에서만 제작이 가능한 장비로 생산 비용을 높이는 요인으로 꼽혔다.

공기 중에서 제작한 태양전지는 광전변환효율 26% 이상을 기록하며 실리콘 태양전지에 버금가는 수준을 보였다.

또 서로 다른 에너지 특성을 가진 다양한 페로브스카이트 조성에서도 높은 효율을 유지했다.

연구팀은 특히 내수성을 엄격하게 검증했다.

기존 연구가 습도가 높은 환경에서 성능을 측정했지만, 연구팀은 태양전지를 물에 반복적으로 담그는 침수 시험을 진행했다.

시험 결과 보호막을 씌우지 않은 상태에서도 물에서 꺼낸 뒤 높은 성능을 유지하거나 회복하는 특성을 확인했다.

유연 기판에 적용한 태양전지도 1만 회 이상 반복해서 구부린 뒤에도 높은 성능을 유지해 웨어러블 기기나 곡면 전자기기에도 적용 가능성을 입증했다.

이 기술이 다양한 산업현장에 적용할 수 있다.

수분이 많은 농업과 양식장에서는 수질과 수온을 측정하는 사물인터넷(IoT) 센서의 독립 전원으로 사용 가능하다.

또 건물 외벽과 창호에 설치하는 건물일체형 태양광(BIPV), 자동차 차체에 부착하는 자동차일체형 태양광(VIPV), 휴대용 전자기기와 웨어러블 전원에도 적용 범위를 넓힐 수 있다.

아울러 연구팀은 서로 다른 밴드갭을 갖는 다양한 페로브스카이트 태양전지에 동일한 기술을 적용함으로써 실리콘과 결합해 발전 효율을 더욱 높인 탠덤 태양전지에도 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

김 박사는 “대면적 생산 공정과 탠덤 태양전지, 건물일체형 태양광 등으로 연구를 확대해 차세대 태양전지 상용화를 앞당기겠다”고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 지난 17일 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터(Nano-Micro Letters)’에 게재됐다.
(논문명: Air-processed and water-stable perovskite solar cells enabled by a fishing-net-inspired interfacial network)

이재형 기자 jh@kukinews.com