▲ (a) 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈 구조 모식도와 실제 사진 이미지를 보여주고 있다. (b) 플라스틱 기판 위에 구현하여, 태양전지 모듈의 우수한 기계적 유연성을 확인 할 수 있다. .

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 문제점으로 지적돼왔던 짧은 수명을 용액분산 그래핀을 통해 해결하고 나아가 대면적의 유연 소자를 구현하는데 성공했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권)는 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사, 광주과학기술원 신소재공학부 김동유 교수 공동연구팀은 저가소재인 용액분산 그래핀을 이용해, 고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지를 제작하는데 성공했다고 22일 밝혔다.

저비용 대량생산이 가능하며 높은 광흡수성과 우수한 전하이동능력으로 고성능 제작을 가능하게 하는 페로브스카이트 태양전지는 차세대 전지로 주목을 받고 있지만 성능 향상을 위해 계면층으로 삽입되고 있는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 높은 산성과 흡습성 때문에 수명을 단축시키는 단점이 있었다.

하지만 현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 아직 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에만 집중되어 있고, 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구는 초기 단계에 머무르고 있다.

이에 연구팀은 새로운 계면층으로 전기적 전도성, 기계적 유연성, 화학적 안정성을 겸비한 용액분산 그래핀을 도입해, 기존 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 기반 소자 대비 약 40% 가량 높은 광전변환효율과 약 3배 높은 소자 수명을 구현했다.

기존 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 대비, 용액분산 그래핀을 기반한 페로브스카이트 박막은 결정의 방향성 및 결정도가 획기적으로 향상된다는 것을 발견하였다.

그래핀 자체의 우수한 특성 외에, 그래핀과 페로브스카이트의 상호작용이 페로브스카이트 결정 특성 및 전반적인 소자 성능/안정성에 영향을 미친다는 것을 밝혀낸 것이다.

또한 연구팀은 기존 연구용 소자(0.05cm²)보다 200배 큰 10cm²의 대면적 유연(Flexible) 페로브스카이트 태양전지 모듈을 구현하였다.

KIST 탄소융합소재연구센터 조한익 박사는 “용액분산 그래핀의 대면적 소자 응용의 첫 성공사례”라며, “이를 통한 저비용/고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 구현은 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당기는 중요한 초석이 될 것으로 생각한다”고 밝혔다.

한편, 본 연구는 미래창조과학부(장관, 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 Elsevier에서 발간하는 나노에너지에 11월1일자 온라인 게재됐다. 논문의 제1저자는 박사후 연구원인 여준석 박사이며, 광주과학기술원(김동유 교수)과의 공동연구 결과이다.