비를 맞거나 물에 잠겨도 성능을 유지하는 차세대 태양전지 기술이 개발됐다. 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점으로 꼽혀온 수분 안정성 문제를 해결해 차세대 태양전지의 상용화 가능성을 높였다.
한국연구재단은 김소연·임동찬 한국재료연구원 책임연구원 연구팀이 낚시 그물 구조를 모사한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성해 수분 침투를 막는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 가지면서도 낮은 비용으로 제작할 수 있어 차세대 태양전지의 가장 유력한 후보로 평가받고 있다. 그러나 페로브스카이트 소재는 수분과 산소에 매우 취약해 두꺼운 보호막으로 외부 수분을 막는 방식이 사용됐다. 이로 인해 제조 비용이 증가하고 유연성이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 외부를 막는 대신 소재 자체를 물에 강하게 만드는 새로운 접근법을 제시했다.
금속 이온(Cu2+)을 연결 고리로 단단한 유기분자(BCP)와 유연한 고분자(PEIE)를 결합해 낚시 그물처럼 촘촘한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성했다.
이 구조는 수분이 내부로 침투하는 것을 막는 동시에 태양전지 성능 저하의 원인인 이온 이동도 효과적으로 억제했다.
특히 기존 연구들과 달리 연구팀은 태양전지를 실제 물속에 반복적으로 담그는 침수 시험을 통해 내수성을 검증했다.
또 별도 글로브박스(수분, 산소 등을 완벽히 차단한 채 고순도 불활성 기체로만 채워진 밀폐 상자) 없이 공기 중에서 제작한 태양전지로 26% 이상의 광변환 효율을 달성했으며, 반복적인 침수 시험 후에도 성능이 회복되는 우수한 내수성을 입증했다.
김소연·임동찬 책임연구원은 “이번 연구는 태양전지 소재 자체를 물에 강하게 만든 것이 가장 큰 차별점”이라며 “향후 대량생산 공정과 실리콘 태양전지와 결합한 탠덤 태양전지에 적용해 건물일체형 태양광과 영농형 태양광 등 다양한 분야에서 조기 상용화를 추진할 계획”이라고 말했다.
이번 연구 성과는 나노과학·나노기술 및 재료과학 분야 국제학술지 '나노-마이크로 레터'에 17일 게재됐다.
이인희 기자 leeih@etnews.com
