[그린포스트코리아 김동수 기자] 효율이 높은 반면 가격이 저렴해 차세대 태양전지로 주목받는 ‘페로브스카이트 태양전지’의 안정성을 크게 높이는 전극이 개발됐다. 

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 박혜성 교수팀은 ‘그래핀 중간층을 삽입한 고성능 금속 기반 유연 투명전극’을 개발했다고 28일 밝혔다.

그간 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 문제로 지목됐던 ‘금속-유도 분해 현상’을 억제해 안정성을 끌어 올린 것이다.

태양전지처럼 빛 에너지를 전기 에너지로 만들거나 디스플레이 소자처럼 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(Wearable) 디바이스에 적용하기 힘들었다.

특히 이 전극을 페로브스카이트 태양전지에 적용할 경우 페로브스카이트(광할성층)에 포함된 할로겐 원소가 금속산화물 쪽으로 이동해 금속전극과 광할성층이 동시에 분해되는 문제가 있었다.

박혜성 교수팀은 이 문제를 그래핀 층을 삽입하는 방법으로 해결했다. 그래핀은 전기 전도도가 높아 전자를 잘 통과시키는 반면 원자가 이동하지 못하게 막는 ‘불침투성’이 있다.

그래핀을 금속 투명전극과 페로브스카이트 광활성층 사이에 중간층으로 삽입하면 전자(전하)는 잘 흐르지만 할로겐 원소는 이동하지 못하게 되는 것이다. 게다가 그래핀 자체가 투명하고 유연해 광전소자용 전극으로 활용하기도 적절하다. 

연구팀은 그래핀 중간층이 삽입된 ‘금속-그래핀 하이브리드 유연 투명전극’을 페로브스카이트 태양전지에 적용했다. 페로브스카이트 태양전지는 16.4%의 광전변환효율을 기록했고 1000시간이 지나도 초기 효율의 97.5% 이상을 유지했다.

또한 5000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 94%를 유지하는 등 우수한 기계적 내구성을 보여 차세대 웨어러블 소자에 응용 가능성을 보였다.

박혜성 교수는 “이번에 개발한 ‘그래핀 중간층 삽입’ 방법은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 등을 크게 향상시켰다”며 “향후 태양전지뿐 아니라 LED, 스마트 센서 등 페로브스카이트 기반의 다양한 차세대 유연 광전 소자 개발에도 크게 도움이 될 것”이라고 설명했다.

이번 연구는 국제학술지 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 13일 자로 온라인 출판됐다.

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