물에 잠겨도 성능 유지…페로브스카이트 태양전지 최대 난제 풀었다[과학을읽다]

재료연, '낚시 그물' 닮은 분자망으로 수분 차단…광변환 효율 26%·침수 후에도 성능 회복

비를 맞거나 물에 잠겨도 성능을 유지하는 차세대 페로브스카이트 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다. 상용화를 가로막던 최대 난제인 수분 안정성을 해결하면서 차세대 태양전지의 실용화 가능성을 한층 높였다는 평가다.

한국연구재단은 한국재료연구원 김소연·임동찬 책임연구원 연구팀이 낚시 그물(Fishing-net)을 닮은 분자 네트워크를 이용해 페로브스카이트 태양전지의 내수성을 크게 높이는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다.

낚시 그물 형태의 분자 네트워크를 페로브스카이트 태양전지 계면에 형성해 수분 침투와 은(Ag) 전극 확산을 막는 기술의 개념도. 외부 보호막 없이도 소재 자체의 내수성을 높여 태양전지의 내구성을 향상시켰다.김소연 한국재료연구원 책임연구원 제공

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 높은 발전 효율을 낮은 비용으로 구현할 수 있어 차세대 태양전지의 유력한 후보로 꼽힌다. 그러나 소재가 수분과 산소에 매우 취약해 비나 습기에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 것이 상용화의 가장 큰 걸림돌이었다.

기존에는 태양전지 외부를 두꺼운 보호막으로 감싸는 봉지(封止) 기술이 주로 사용됐지만 제조 비용이 증가하고 유연성이 떨어지는 한계가 있었다.

연구팀은 외부를 막는 대신 태양전지 소재 자체를 물에 강하게 만드는 새로운 접근법을 제시했다. 구리 이온(Cu²+)을 연결고리로 단단한 유기분자와 유연한 고분자를 결합해 낚시 그물처럼 촘촘한 분자망을 형성함으로써 수분 침투와 내부 이온 이동을 동시에 억제했다.

낚시 그물형 분자 네트워크를 적용한 페로브스카이트 태양전지가 다양한 밴드갭에서 최대 26.19%의 광전 변환 효율을 기록했으며, 물에 침수된 뒤에도 높은 성능과 내수성을 유지하는 모습을 보여준다. 김소연 한국재료연구원 책임연구원 제공

특히 실제 사용 환경을 고려해 태양전지를 반복적으로 물속에 담그는 침수 시험을 실시한 결과, 물에 잠긴 뒤에도 성능이 회복되는 우수한 내수성을 확인했다. 또 수분과 산소를 차단하는 특수 제작장비(글로브박스) 없이 일반 공기 중에서 제작한 태양전지로도 광변환 효율 26% 이상을 달성했다.

김소연·임동찬 책임연구원은 "태양전지 표면을 보호하는 수준을 넘어 소재 자체를 물에 강하게 만든 것이 이번 연구의 가장 큰 차별점"이라며 "실리콘과 결합한 탠덤 태양전지를 비롯해 건물일체형 태양광(BIPV), 영농형 태양광 등 다양한 분야의 조기 상용화를 추진할 계획"이라고 말했다.

이번 연구는 한국재료연구원과 국립부경대학교 소속 무흐 파딜 알밥(Muh Fadhil Albab) 연구원이 제1저자로 참여했으며, 연구 결과는 국제학술지 Nano-Micro Letters에 게재됐다.

김종화 기자 justin@asiae.co.kr