오래가는 페로브스카이트 태양전지용 전극
오래가는 페로브스카이트 태양전지용 전극
  • 함예솔
  • 승인 2019.09.09 08:10
  • 조회수 1391
  • 댓글 0
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국내 연구진이 오래 작동하면서도 유연한 페로브스키이트 태양전지용 전극을 개발했습니다. 충남대학교 윤순길 교수 연구팀은 페로브스카이 태양전지를 약 100℃의 저온에서 제작할 수 있는 무(無)전사 그래핀 전극을 개발했습니다. 이번 연구는 국제학술지 <Nano Energy>에 게재됐습니다. 

태양전지. 출처: fotolia
태양전지 패널. 출처: fotolia

페로브스카이트 태양전지?

차세대 태양전지의 강력한 후보 물질로 꼽히는 페로브스카이트는 육방면체의 특별한 구조를 가진 반도체 물질입니다. 빛을 전기로 바꾸거나(광전) 전기를 빛으로 바꾸는(발광) 점이 특징입니다.

 

페로브스카이트로 만든 태양전지는 넓은 스펙트럼의 빛을 흡수합니다. 출력도 높아 주목받고 있습니다. 기존의 페로브스카이트 태양전지는 약 500℃ 고온에서 만들어졌습니다. 그런데 이번 연구로 저온에서 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있게 됐는데요. 안정성과 경제성이 높아질 것으로 예상됩니다.

그래핀 분자구조, 출처 : 포토리아
그래핀 분자 구조. 출처 : Fotolia

저온에서 만들어 더 튼튼하게

 

그래핀은 높은 전도도, 투명도, 유연성, 기계적 강도가 장점입니다. 덕분에 전자 산업 전반에 다양하게 응용되는데요. 그렇다 하더라도 대면적 그래핀은 반드시 전사공정을 거쳐야합니다. 문제는 이 과정에서 그래핀의 모든 전기적 특성이 저하하게 된다는 점입니다. 따라서 그래핀을 전사공정없이 활용하는 기술 개발이 시급했습니다. 

 

또한 그래핀은 원료를 약 500℃~900℃의 고온에서 가스 상태로 구리와 같은 금속 박판 위에 흡착시키는 방식으로 만들어집니다. 이후 박판을 제거하고 다른 기판으로 옮기는 과정에서 전사공정이 필요합니다. 이때 그래핀이 기판 위에 완전히 붙지 않거나 표면에 주름이 생기고 내부에 금이 갈 경우, 전극 특성이 현저히 떨어집니다.

 

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 100℃ 이하의 저온에서 탄소를 타이타늄(10nm) 버퍼층에 흡착하는 방식으로 대면적 그래핀을 성장시켰습니다. 이 방식은 타이타늄 버퍼층이 그래핀의 투명도나 전기적 특성에 영향을 미치지 않아 별도의 기판으로 옮기는 전사과정을 생략할 수 있습니다. 물성저하를 막을 수 있는 비결입니다.

페로브스카이트 태양전지에 무 전사 그래핀과 전사된 그래핀의 특성평가 비교. 출처: 한국연구재단
페로브스카이트 태양전지에 무 전사 그래핀과 전사된 그래핀의 특성 평가 비교. 출처: 한국연구재단

실제로 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 전사공정을 이용해 만들어진 그래핀 태양전지보다 효율이 14.2%, 투명도는 약 26%로 향상됐습니다. 500시간 사용한 결과, 전사 공정이 포함됐던 그래핀 태양전지는 초기 효율에 비해 효율이 약 20% 감소된 반면, 전사 과정이 없던 그래핀 전극은 약 13% 줄었습니다.

무(無) 전사 그래핀과 전사된 그래핀을 전극으로 한 태양전지의 유연성 평가. 출처: 한국연구재단
무(無) 전사 그래핀과 전사된 그래핀을 전극으로 한 태양전지의 유연성 평가. 출처: 한국연구재단

유연성 측면에서도 1,000 사이클에서 전사 공정된 그래핀 태양전지보다 7% 향상된 안정성을 보였습니다. 윤순길 교수는 "무전사, 저온공정에서 대면적으로 성장한 그래핀을 페로브스카이트 태양전지에 전극으로 활용해 태양전지의 유연성을 확보하고 장기적인 안정성을 구현할 수 있었다"며 "실리콘 태양전지를 대체하고자 하는 페로브스카이트 태양전지의 한계성을 극복한 연구"라고 전했습니다.

 


##참고자료##

 

Tran, Van-Dang, et al. "Transfer-free graphene electrodes for super-flexible and semi-transparent perovskite solar cells fabricated under ambient air." Nano Energy (2019): 104018.


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