웨어러블, 플렉서블 기기에 적용할 태양전지는 기계적 유연성과 높은 광전 변환 효율이 동시에 요구 된다. 국내 연구진이 구겨지거나 접어도 원래 형태로 회복이 가능하며 효율이 높은 새로운 구조의 플렉서블 태양전지 원천 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀과 연세대학교 (총장: 정갑영) 기계공학과 김대은 교수팀은 형상 기억 고분자 기판위에 기존의 잘 깨지는 투명전도성 전극(*ITO (Indium Tin Oxide))과 금속 후면전극 대신에 고분자 투명전극(*PEDOT:PSS)과 액체 금속을 사용하여 태양전지를 접고 구기더라도 원래 형태로 돌아갈 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 *페로브스카이트 태양전지를 개발하였다고 밝혔다.

*용어설명

ITO : 주석 산화물 (tin oxide)에 인듐이 도핑 된 금속 산화물로서 투명하면서도 금속의 전기 전도도에 준하는 높은 전도성을 가지기 때문에 태양전지, 디스플레이 분야에서 대표적으로 사용 되는 소재이다.

PEDOT:PSS : poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate의 약자로, 대표적인 투명 전도성 고분자이다. ITO를 대체 할 수 있는 투명 전극 소재로 꼽히며 ITO보다 낮은 가격과 용액공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 

페로브스카이트 : 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합되어 있는 물질로서, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체이다. 기존의 금속산화물로 이루어진 페로브스카이트 결정 구조와 유사한 구조를 갖는다.

 

최근 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 정도의 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 평가받고 있다. 연구 시작 3년 만에 최고 효율 20.1 % 까지 기록했고, 용액 및 저온 공정에 기반을 두고 있기 때문에 특히 플렉서블 태양전지로 사용되기에 최적화 된 물질이다. 플렉서블 태양전지는 플라스틱 기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정을 필요로 하는데, 유기 반도체를 페로브스카이트와 전극 사이에 중간층으로 사용하는 태양전지 구조에서는 모든 공정이 150도 이하에서도 제작이 가능하므로 플렉서블 태양전지에 최적화 되어 있다고 볼 수 있다. 그러나 웨어러블 및 플렉서블 소자의 전력 공급체로 적용하기 위해서는 기존의 플라스틱 기판을 대체할 수 있는 새로운 투명전극 기판이 필요했다. 일반적으로 사용되는 플라스틱 필름은 많이 구부리거나 접으면 소성 변형이 쉽게 일어나서 원래 형태로 회복이 되지 않고 투명전도성 전극 역시 잘 깨지기 때문에 웨어러블 및 플렉서블 소자에 적용하기엔 적합하지 않은 기판이다. 

  

공동연구팀은 이러한 플라스틱 필름 대신 형상 기억 고분자(*NOA 63)를 평평한 기판으로 만들어서 120도 이하의 저온 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 구성하였다. 태양전지를 접기 전 광전변환 효율이 최고 10.83 %, 접고 난 후 10.4 %였으며 1000번 벤딩 테스트 후에도 9.68 %로 ITO가 없는 페로브스카이트 태양전지 중에서는 가장 높은 효율과 기계적 안정성을 나타냈다. 또한 완전히 구겨지더라도 기판의 형상 기억 특성 때문에 최초의 형태와 거의 유사한 모양으로 회복 되었으며 원래 형태로 복구 된 후에는 6.1% 효율을 기록하였다. 

   

그리고 *나노 인덴테이션 분석법과 전자현미경을 이용하여 태양전지에 사용 된 재료의 기계적 특성을 심도 분석하고 수학적 시뮬레이션을 통해 태양전지를 접더라도 모든 재료에 손상 없음을 세계 최초로 증명하였다. 따라서 페로브스카이트 박막은 매우 유연하면서도 높은 광전효율을 낼 수 있는 광 흡수 물질이며 이는 앞으로 플렉서블 태양전지 분야에서 각광을 받을 수 있을 것이라 기대가 된다.  

*용어설명 참고 

 

연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 유연성이 매우 뛰어나고 용액 및 저온공정이 가능하며, 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 전자 기기의 핵심적인 광에너지 자원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다” 고 밝혔다. 

본 연구는 KIST 주요연구사업인 영 펠로우 연구사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행되었다. 연구결과는 에너지 분야의 전문학술지인 Advanced Energy Materials 11월 18일자에 표지논문으로 게재되었다. 

* (논문명) Mechanically Recoverable and Highly Efficient Perovskite Solar Cells: Investigation of Intrinsic Flexibility of Organic-Inorganic Perovskite

- (공동 제1저자) 한국과학기술연구원 박민우 박사 연세대학교 기계공학과 김해진 박사과정

- (교신저자) 한국과학기술연구원 고민재 박사 연세대학교 기계공학과 김대은 교수