‘그래핀 방패’로 페로브스카이트 태양전지 성능 Up!

효율이 높고 가격이 저렴해 차세대 태양전지로 주목받는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 안정성을 크게 높일 전극이 개발됐다. 투명하고 유연하며 전기 전도도가 높은 그래핀(Graphene)이 삽입돼 기존에 쓰이던 금속전극이 분해되는 현상을 막아준 덕분이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 박혜성 교수팀은 ‘그래핀 중간층을 삽입한 고성능 금속 기반 유연 투명전극’을 개발했다. 불침투성(Impermeability)이 뛰어난 그래핀을 이용해 금속전극 기반 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 문제로 지목되던 ‘금속–유도 분해 현상’을 억제해 안정성을 크게 끌어 올렸다. 또 그래핀의 우수한 전기 전도도 및 기계적 내구성을 이용해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 기계적 안정성도 큰 폭으로 높였다.

빛 에너지를 전기 에너지로 만들거나(태양전지), 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸는(디스플레이 소자) ‘광전소자’에는 투명하고 전자를 잘 이동시키는 전극이 들어간다. 지금까지는 금속산화물 기반 전극(ITO)을 사용했는데, 딱딱하고 쉽게 부서지는 성질이 있어 웨어러블 디바이스에 적용하기 힘들었다. 특히 이 전극을 페로브스카이트 태양전지에 적용할 경우 페로브스카이트(광활성층)에 포함된 할로겐 원소가 금속산화물 쪽으로 이동해 금속전극과 광활성층이 동시에 분해되는 문제가 있다.

그림1. 개발된 금속 기반 하이브리드 투명전극의 투명성과 유연성

박혜성 교수팀은 이 문제를 그래핀 층을 삽입하는 방법으로 해결했다. 그래핀은 전기 전도도가 높아 전자를 잘 통과시키지만, 원자가 이동하지 못하게 막는 ‘불침투성’이 있다. 그래핀을 금속 투명전극과 페로브스카이트 광활성층 사이에 중간층으로 삽입하면, 전자(전하)는 잘 흐르지만 할로겐 원소는 이동하지 못하게 되는 것이다. 게다가 그래핀 자체가 투명하고 유연해 광전소자용 전극으로 활용하기도 적절하다.

그림2. 금속 기반 하이브리드 투명전극을 이용한 페로브스카이트 태양전지의 안정성

연구팀은 그래핀 중간층이 삽입된 ‘금속–그래핀 하이브리드 유연 투명전극’을 페로브스카이트 태양전지에 적용했다. 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 16.4%의 광전변환효율을 기록했고, 1,000시간이 지나도 초기 효율의 97.5% 이상을 유지했다. 또 5,000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 94%를 유지하는 등 우수한 기계적 내구성을 보여 차세대 웨어러블(Wearable) 소자에 응용 가능함을 보였다.

제1저자인 정규정 UNIST 에너지공학과 석·박통합과정 연구원은 “그래핀 중간층을 삽입해 할로겐 원소와 금속 원소의 이동을 효과적으로 억제했다”며 “그래핀의 다양한 특성을 활용해 고유연성과 고안정성을 갖춘 고성능 금속 투명전극 기반 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있었다”고 설명했다.

박혜성 교수는 “이번에 개발한 ‘그래핀 중간층 삽입’ 방법은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 등을 크게 향상시켰다”며 “향후 태양전지뿐 아니라 LED, 스마트 센서 등 페로브스카이트 기반의 다양한 차세대 유연 광전 소자 개발에도 크게 도움이 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구는 저명한 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 13일자로 온라인 출판됐다. 연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국동서발전의 지원을 통해 이뤄졌다.