페로브스카이트 단점 없앤
대면적의 유연한(Flexible) 태양전지 만든다.

- 용액분산 그래핀*을 통한 페로브스카이트 결정도 제어 및 소자 성능/안정성 향상

- GIST 김동유 교수팀-KIST, 저비용/고효율 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지 구현

<그림3> (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. 

  유·무기 복합 페로브스카이트는 금속, 유기물, 할로겐족(불소, 염소, 브롬 등)이 결합되어 화합물결정구조를 형성한 물질로서 높은 광흡수성과 우수한 전하 이동능력을 기반으로 태양전지의 높은 광전변환효율*을 구현할 수 있는 차세대 소재로 급격하게 부상하고 있다. 또한, 실리콘 등의 기존 무기태양전지에 비해 물질 원가가 매우 저렴하고 용액공정이 가능하다는 장점이 있어, 페로브스카이트 태양전지는 단기간 안에 상업화가 가능할 것으로 전망되고 있다.

 * 광전변환효율 : 광 에너지를 전기 에너지로 변환되는 효율

  한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 전북분원(분원장 김준경) 복합소재기술연구소 탄소융합소재연구센터 조한익 박사, 광주과학기술원 신소재공학부 김동유 교수 공동연구팀은 저가소재인 용액분산 그래핀을 이용하여, 고효율의 대면적 유연 페로브스카이트 태양전지를 제작하는 데 성공했다.

  지금까지 페로브스카이트 태양전지는 많은 가능성을 보였으나, 성능 향상을 위해 계면층으로 삽입되고 있는 전도성 고분자(PEDOT:PSS)의 높은 산성과 흡습성이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 단축시키는 단점과 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에만 집중되어 있고, 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구는 초기 단계에 머무르고 있었다.

<그림 1> (a) 광전류밀도-전압 곡선으로, PEDOT:PSS 기반 소자 대비 용액분산 그래핀(MFGO) 기반 소자의 광전변환효율이 우수한 것을 보여주는 결과이다. 모든 태양전지 성능 평가 요소(개방전압, 단략전류밀도, 충진율)들이 균일하게 상승한 것을 알 수 있다. (b) 페로브스카이트 태양전지를 공기 중에 보관하였을 때, 시간(날)에 따른 광전변환효율의 변화를 나타내는 그래프이다. PEDOT:PSS 소자의 경우 10일이 채 되지 않아 광전변환특성이 사라지는 것이 발견되었고, 용액분산 그래핀 소자의 경우 약 30일까지도 광전변환효율이 약 7%로 유지되는 것을 보여주고 있다.

<그림 2> 해당 그림은 PEDOT:PSS와 용액분산 그래핀(MFGO) 위에서 페로브스카이트 전구체의 결정화 거동에 대한 모식도이다. 작은 이온들 간 이온결합으로 이뤄진 페로브스카이트 결정박막은 PEDOT:PSS와 같은 특정 전하를 띄는 표면보다 용액분산 그래핀과 같은 화학적으로 안정한 표면에서 우수한 결정성을 갖는다는 것을 밝혀냈다.

  본 연구팀은 새로운 계면층으로 전기적 전도성, 기계적 유연성, 화학적 안정성을 겸비한 용액분산 그래핀을 도입하여, 기존 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 기반 소자 대비 약 40% 가량 높은 광전변환효율과 약 3배 높은 소자 수명을 구현하였다. 또한, 기존 전도성 고분자(PEDOT:PSS) 대비, 용액분산 그래핀을 기반한 페로브스카이트 박막은 결정의 방향성 및 결정도가 획기적으로 향상된다는 것을 발견하였다. 이는 그래핀 자체의 우수한 특성 외에, 그래핀과 페로브스카이트의 상호작용이 페로브스카이트 결정 특성 및 전반적인 소자 성능/안정성에 영향을 미친다는 것을 밝혀낸 것이다.

  연구팀은 더 나아가, 용액분산 그래핀을 활용하여 페로브스카이트 태양전지 소자 제작에 필요한 모든 세부 조건들을 간단한 용액 공정에 그대로 적용해, 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.

  본 연구는 미래창조과학부(장관, 최양희)지원으로 KIST 기관고유사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 Elsevier에서 발간하는 나노에너지(Nano Energy, IF: 11.553)에 11월 1일자 온라인 게재되었다. 논문의 제1저자는 박사후 연구원인 여준석 박사이며, 광주과학기술원(김동유 교수)과의 공동연구 결과이다.

KIST 보도자료