비를 맞아도, 물에 잠겨도 성능을 유지하는 차세대 태양전지 기술이 개발됐다. 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점으로 꼽힌 수분 안정성 문제를 해결해 상용화 가능성을 높였다.

한국연구재단은 김소연·임동찬 한국재료연구원 책임연구원 연구팀이 낚시 그물(Fishing-net) 구조를 모사한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성해 수분 침투를 막는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.
 

이번 연구성과는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 미래유망융합기술파이오니어사업 및 한국재료연구원 기본사업 지원으로 수행됐다. 나노과학·나노기술 및 재료과학 분야 최상위 국제학술지 ‘나노-마이크로 레터(Nano-Micro Letters)’에 7월 17일 게재됐다. 

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 효율을 내면서 제작 비용이 싸다. 페로브스카이트 소재가 수분과 산소에 매우 취약해 비나 습기에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 치명적인 약점이 있다. 

지금까지 두꺼운 보호막으로 외부의 물을 막는 방식이 주로 사용됐지만 제조 비용이 늘어나고 유연성이 떨어졌다.

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.BCP는 수분이 침투하지 못하도록 방어벽 역할을 해주고, PEIE는 단단한 BCP 사이를 부드럽게 연결해 접착제와 완충제 역할을 한다.

연구팀이 개발한 구조는 수분이 내부로 침투하는 것을 막는 동시에 태양전지 성능 저하의 원인인 이온 이동도 효과적으로 억제했다. 

특히 연구팀은 태양전지를 실제 물속에 반복적으로 담그는 침수 시험을 통해 내수성을 검증했다. 별도의 글로브박스 없이 공기 중에서 제작한 태양전지로 태양빛을 전기로 전환하는 효율인 광전환 효율 26% 이상을 달성했다. 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 밝혔다.
 

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