고효율 태양전지 재료로 최근 주목 받고 있는 ‘페로브스카이트(Perovskite)’의 고유 물성 분석과 유연성을 극대화하는 태양전지 설계를 통해, 접는 수준이 가능한 페로브스카이트 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 이제 태양전지를 접어 주머니에 넣어 다니다 원하는 때에 펼쳐 쓰는 날이 가까워지고 있다.
UNIST 신소재공학부의 김주영‧송명훈 교수 공동연구팀은 접을 수 있을 정도로 유연한 ‘페로브스카이트 태양전지(Perovsktie Solar Cell, 이하 PeSC)’를 개발했다. 공동연구를 통해 태양전지 구성 재료인 페로브스카트 박막의 정확한 물리적 특성 분석과 유연성 극대화를 위한 기판과 투명 전극 디자인을 적용한 결과다.
PeSC는 낮은 생산 비용과 높은 효율로 차세대 태양전지로서 주목받고 있다. 또한 실리콘 태양전지와 달리 전극 및 기판 소재 변경을 통해 쉽게 유연화가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 기존 PeSC 연구는 유연성 향상보다는 효율 향상에 집중되어 있어, 현재 PeSC의 유연성은 말 수 있는(rollable) 수준에 그쳐있다.
유연 페로브스카이트 태양전지(PeSC) 이미지: 유연 폴리머 기판 위에 형성되어 매우 얇은 태양전지의 유연함을 확인할 수 있다.
이번 연구는 태양전지의 유연성 예측이 가능할 정도로 정확한 페로브스카이트 박막의 물리적 특성 분석과 기판, 투명전극 소재 최적화를 통해 PeSC를 접을 수 있는 수준(foldable)까지 유연성을 극대화 하여 주목을 받고 있다.
PeSC의 광활성층인 페로브스카이트 박막의 정확한 물리적 특성(파단강도, 탄성계수)분석은 유연한 PeSC를 만들기 위한 선결조건이다. 하지만 기존의 페로브스카이트 박막 물성 분석은 실제 전지에서와 다른 조건의 박막을 이용하거나 간접적인 물성 분석법을 이용하고 있어, 실제 PeSC에서 페로브스카이트 박막의 정확한 유연성 예측이 힘들었다. 반면 이번 연구에서는 실제 PeSC에서와 동일한 조건의 페로브스카이트 박막에 대한 직접적인 단축 인장 실험으로 정확한 물리적 특성을 측정하였고, 이를 토대로 정확한 태양전지 유연성 예측이 가능해졌다.
또한 이번 연구에서는 페로스카이트 박막 외에 다른 태양전지 구성층들의 물리적 특성을 분석하여 유연성이 극대화된 태양전지를 설계하였다. PeSC의 유연성을 제한하는 기존 금속산화물 투명전극을 유연한 초박막 금속 투명전극으로 바꾸고, 고분자 기판의 두께를 15μm까지 줄인 결과 새로운 유연 PeSC는 접는 수준과 같은 1.0 ㎜ 곡률 반경에서 1000회의 굽힘 후에도 태양전지 광전 변환 효율을 유지했다.
페로브스카이트 인장시험 과정(왼쪽)과 각층별 물성에 따른 한계 곡률 반경 (중간), 곡률 반경 및 횟수에 따른 태양전지 효율 변화 (오른쪽)
공동연구팀의 김주영 교수는 “이번 연구로 PeSC의 유연성을 정확하게 예측하고 이를 극대화할 수 있게 됐다”며 “다양한 조건의 페로브스카이트 박막의 물성 분석 결과를 활용하여 PeSC의 유연성뿐 아니라 광전 변환 효율 또한 향상 시켜나갈 계획”이라고 밝혔다.
또한 송명훈 교수는 “PeSC 유연성 극대화 연구를 통해 PeSC의 활용성을 웨어러블 디바이스 등에 확대시키면 우리 실생활에 더 가까운 태양전지 기술이 될 수 있을 것”이라고 기대했다.
이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 23일(목요일)일 온라인 속보로 공개됐으며, 안승민 박사후 연구원, 정의대 석박사통합과정 연구원이 1저자로 참여했다.
연구 지원은 멀티스케일에너지시스템연구단(글로벌프론티어사업, 단장 서울대 최만수), 전략구조소재 신공정 설계연구센터(ERC, 센터장 서울대 한흥남) 및 고효율(≥25%) 결정질 Si/Perovskite 모노리식 텐덤 태양전지 기술개발 연구과제 (신재생에너지핵심기술개발사업, 연구책임자 UNIST 송명훈)을 통해 이뤄졌다.
* 논문명: Nanomechanical Approach for Flexibility of Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Solar Cells
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