울산과학기술원(UNIST)은 효율이 높고 가격이 저렴해 차세대 태양전지로 주목받는 '페로브스카이트 태양전지'의 안정성을 높일 전극을 개발했다고 밝혔다.

29일 울산과기원에 따르면 에너지 및 화학공학부 박혜성 교수팀이 '그래핀 중간층을 삽입한 고성능 금속 기반 유연 투명 전극'을 개발해 태양전지의 고질적인 문제로 지목된 '금속-유도 분해 현상'을 억제해 안정성을 크게 끌어올렸다.

연구팀이 개발한 금속 기반 하이브리드 투명 전극 제작 공정 모식도(그림 A)와 전극의 투명도(그림 B), 전극의 모습(그림 C)

빛 에너지를 전기 에너지로 만들거나, 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸는 '광전소자'에는 투명하고 전자를 잘 이동시키는 전극이 들어간다.

지금까지는 금속산화물 기반 전극(ITO)을 사용했는데 딱딱하고 쉽게 부서지는 성질이 있어 웨어러블 디바이스에 적용하기 힘들었다.

특히 이 전극을 페로브스카이트 태양전지에 적용하면 페로브스카이트(광활성층)에 포함된 할로겐 원소가 금속산화물 쪽으로 이동해 전극과 광활성층이 동시에 분해되는 문제가 있었다.

연구팀은 그래핀 층을 삽입하는 방법으로 이 문제를 해결했다.

그래핀은 전기 전도도가 높아 전자를 잘 통과시키지만, 원자가 이동하지 못하게 막는 '불침투성'이 있다.

그래핀을 금속 투명 전극과 페로브스카이트 광활성층 사이에 중간층으로 삽입하면, 전자(전하)는 잘 흐르지만 할로겐 원소는 이동하지 못하게 된다.

연구팀이 그래핀 중간층이 삽입된 전극을 페로브스카이트 태양전지에 적용한 결과, 전지는 16.4% 광전변환효율을 기록했고 1천 시간이 지나도 초기 효율의 97.5% 이상을 유지했다.

또 5천번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 94%를 유지하는 등 기계적 내구성이 우수해 차세대 웨어러블 소자에 응용 가능함을 보였다고 연구팀은 설명했다.

박 교수는 "'그래핀 중간층 삽입' 방법은 향후 태양전지뿐 아니라 LED, 스마트 센서 등 페로브스카이트 기반의 다양한 차세대 유연 광전 소자 개발에도 크게 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구는 저명 국제학술지 '나노 레터스'(Nano Letters) 5월 13일 자로 온라인 출판됐다.

연구 수행은 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 한국동서발전의 지원을 받아 이뤄졌다.