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차세대 태양전지의 전극으로 금 대신 알루미늄을 사용하는 기술이 개발됐다. 태양전지 제작 단가를 낮추면서 안정성도 높일 수 있어 주목받고 있다. UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부의 김진영 교수팀은 그래핀에 불소(F) 원자를 도입한 물질을 이용해, ‘알루미늄 전극을 쓰는 페로브스카이트 태양전지 소자’를 개발했다. 값비싼 금 대신 알루미늄을 쓰면서도 안정성은 획기적으로 높일 수 있는 기술이다. 이 기술은 KIER-UNIST 차세대전지원천기술센터에서 추진한 결과로, 김진영 교수와 김동석 한국에너지기술연구원(KIER) 박사가 공동으로 진행했다. 제1저자는 김기환 UNIST 에너지 및 화학공학부 연구교수다. 연구 내용은 나노 재료 분야 국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 9월 15일자 온라인 판에 게재됐다. 최근 활발히 연구 중인 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지의 가장 강력한 후보다. 태양빛을 전력으로 바꾸는 광전환효율이 실리콘 태양전지에 버금가는 20% 이상으로 보고되면서 상용화 가능성을 보였기 때문이다. 하지만 아직 안정성이 낮고, 전극으로 금을 사용해 비싸다는 점 등이 상업화에 걸림돌이다. 페로브스카이트 물질은 공기 중 수분의 영향으로 쉽게 분해돼 안정성이 낮다는 문제가 있었다. 김진영 교수팀은 이 문제를 ‘불소 그래핀’을 개발해 해결했다. 탄소(C) 원자로 이뤄진 그래핀에 불소(F) 원자를 도입해 물을 튕겨내는 소수성을 가진 물질을 개발해낸 것이다. 김기환 교수는 “프라이팬을 코팅하는 ‘테프론(Teflon)’이라는 물질은 소수성을 뛰어난데, 이 물질이 탄소와 불소의 결합(C-F 결합)으로 이뤄졌다”며 “그래핀에 있는 탄소 자리를 불소로 치환해 테프론처럼 높은 소수성을 가지는 2차원 물질을 개발하고 페로브스카이트 태양전지에 적용했다”고 설명했다. 연구팀은 전극 층과 페로브스카이트 층 사이에 불소 그래핀을 두는 구조로 페로브스카이트 태양전지 소자를 만들었다. 그 결과 두 가지 효과를 동시에 얻었다. 우선 불소 그래핀이 물 분자를 튕겨내 페로브스카이트 물질이 분해되는 현상을 막았다. 또 전극으로 금 대신 알루미늄을 써도 안정성이 떨어지지 않았다. 공기 중에서 산화되기 쉬운 알루미늄의 성질을 불소 그래핀이 보완해준 덕분이다. 김진영 교수는 “금 대신 알루미늄을 사용해 전극을 만들면 제조단가를 낮출 수 있을 것”이라며 “페로브스카이트 태양전지의 안정성을 극대화해 차세대 태양전지뿐 아니라 다양한 사물인터넷의 전원, 디스플레이 기기에 적용할 기반 기술이다”고 말했다. 이번에 개발한 페로브스카이트 태양전지 소자는 유연한 필름에 물질을 코팅하는 과정인 ‘용액공정’으로 제작했다. 용액공정을 이용하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 태양전지를 적용할 수 있어 활용도가 높을 전망이다. 차세대 태양전지는 기존에 실리콘을 이용하는 무기물 전자 소자에 비해 제조공정이 단순하고 제작단가가 낮다는 장점이 있다. 김 교수는 “이번 연구는 높은 광전환효율에 비해 안정성이 낮은 페로브스카이트 태양전지의 단점을 극복하는 원천기술”이라며 “앞으로 페로브스카이트 태양전지가 상업화로 나아가는 데 핵심적인 기술로 자리매김 할 것”이라고 연구의의를 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단에서 추진하는 기초연구지원사업(개인연구)의 지원으로 수행됐다. (끝)
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[붙임] 연구결과 개요 |
1. 연구배경ㅇ 세계 경제발전과 인구 증가로 에너지 소비량이 매년 증가하고 있다. 현재 에너지원으로 주로 사용하는 화석연료는 지구온난화와 환경오염 문제를 일으켜 청정 재생 에너지에 대한 연구가 시급해졌고, 이러한 관점에서 무한한 에너지를 가지고 있는 태양에너지에 대한 관심이 커졌다. ㅇ 지금까지 주목 받아온 차세대 태양전지인 유기 태양전지나 양자점 태양전지는 실리콘 태양전지에 비해서 광전환효율이 낮아 상업화에 어려움을 겪고 있다. ㅇ 현재 가장 각광 받는 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 광전환효율을 낼 수 있든 수준으로 개발됐다. 그러나 비싼 금(Au)을 전극으로 사용하는 형태다. 금이 아닌 다른 물질을 전극으로 사용하면 안정성이 떨어진다는 문제가 있다. 결국 가격이 싼 전극을 사용하고 안정성을 확보하는 일이 차세대 태양전지 상업화의 선결 과제다. |
2. 연구내용ㅇ 본 연구팀은 금 대신 알루미늄(Al)을 전극으로 사용하는 페로브스카이트 태양전지 소자 구조를 제안했다. 이 구조는 전기적 특성이 아주 우수한 탄소구조체인 그래핀을 이용한다. 원자 치환 기술을 이용해 그래핀을 이루는 탄소(C) 원자를 불소(F) 원자로 치환해 높은 소수성, 즉 물을 멀리하는 특징을 가지게 만든 것이다. 이렇게 만들어진 그래핀은 공기 중 수분 때문에 상할 수 있는 페로브스카이트와 알루미늄을 보호하게 된다. 결국 가격이 싼 알루미늄을 전극으로 사용하면서 안정성이 높은 페로브스카이트 태양전지 소자 구조가 가능해진 것이다. ㅇ 그래핀의 탄소 원자를 불소 원자로 치환하면, 탄소와 불소의 결합으로(C-F 결합) 기존 상용 물질 테프론(Teflon)처럼 높은 소수성이 나타난다. 이런 소수성은 공기 중 수분에 의해 쉽게 분해되는 페로브스카이트 층에 물 분자의 침입을 막는 데 탁월한 효과를 보인다. 또 공기 중에 쉽게 산화되는 알루미늄 전극도 보호하는 역할을 함으로써 태양전지의 공기 중 안정성을 확보할 수 있다. ㅇ 이 소자는 금 대신 알루미늄을 전극으로 사용하므로 태양전지 제조단가를 낮출 수 있을 것으로 기대된다. 나아가 페로브스카이트 태양전지의 안정성을 극대화해 차세대 태양전지뿐 아니라 다양한 사물인터넷에서 전원과 디스플레이 기기에 적용할 기반 기술이다. 제작도 유연한 필름에 코팅할 때 사용하는 용액공정으로 하기 때문에 구부러지고 휘어지는 웨어러블(wearable) 기기에도 적용할 수 있다. 기존 실리콘 등의 무기물 전자 소자에 비해 공정과정이 간단하고 제작비용이 저렴한 장점도 있다. |
3. 기대효과ㅇ 최근 가장 각광 받는 페로브스카이트 태양전지의 제조 단가를 획기적으로 낮추며, 나아가 안정성을 확보함으로써 페로브스카이트 상업화에 크게 기여할 것이다. 또한 새로운 소자 제작 방식은 기존 소자 제작 방식의 한계를 넘어 새로운 방향을 제시함으로써, 다양한 광전자 소자 기술의 기반을 마련할 것으로 기대된다. ㅇ 이번 기술은 태양전지뿐 아니라 페로브스카이트를 이용하는 다양한 광전자 소자 연구 개발에 많은 도움이 될 것으로 예상된다. 이를 통한 국내외 연구진들의 공동연구 네트워크 추진이 가능하며 페로브스카이트 태양전지 핵심 기술 창출의 선두주자가 될 것이라고 기대한다. 이를 시작으로 차세대 태양전지 원천기술 기반으로 하는 시장 개척이 가능할 전망이다. |
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[붙임] 용어 설명 |
1. 나노 레터(Nano Letters) 誌전 과학 분야에서 Q1 등급, 상위 1% 이내에 드는 학술지. 나노 소자와 소재 관련 전통적인 최상위 학술지로 꼽힘. 학술지표 평가기관인 Thomson JCR 기준 영향지수(2016 impact factor) 12.712. 2. 그래핀(Graphene)2D의 탄소구조체로서 단일 탄소의 단일 결합과 이중 결합으로 이뤄져 있으며 높은 전기적 특성을 가지는 신소재 물질. 3. 페로브스카이트(Perovskite)ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. 회티타늄석이라고도 함. 사면체나 팔면체 또는 입방체의 결정이 있음. 색깔은 노란색부터 붉은색, 갈색, 검은색까지 있고, 박편은 회색이나 적색. 상온에서 존재하는 것은 보통 결정 구조가 뒤틀려 있음. 4. 테프론(Teflon)탄소-불소(C-F)의 화학적 결합으로 이뤄진 물질. 물 분자를 튕겨내는 초소수성 물질로 프라이팬 코팅 재질로도 잘 알려졌음. 5. 광전자 소자광전력을 변화시키는 소자 또는 광출력을 내거나 변환시키는 소자. 전기를 빛으로 바꾸거나 빛을 전기로 바꾸는 태양전지(SC), 광 다이오드(PD), 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 등 6. 용액공정필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정. 인쇄기법이 가능해 대면적 소자 제작이 용이함. |
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[붙임] 그림 설명 |
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그림 1. 그라파이트(Graphite)를 이용해 볼-밀링(ball-milling) 기술로 그래핀을 만드는 방식 중 제논플로린(XeF₂) 가스를 주입해, 그래핀에 불소기(F)를 치환하는 방법. 이 방법을 쓰면 불소로 기능화된 그래핀을 제작할 수 있다.
그림 2. 불소로 기능화된 그래핀을 이용해 만든 새로운 페로브스카이트 소자 구조와 새로운 소자가 보인 높은 안정성 |
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