최근 태양전지 시장은 건물일체형태양전지(BIPV), 차량일체형태양전지(VIPV) 등으로 곡면에 적용 가능한 유연 태양전지 수요가 증가하고 있다. 기존 실리콘 태양전지는 유연화가 힘들기 때문에 CIGS 태양전지, 유기 고분자 태양전지, 페로브스카이트 태양전지와 같은 박막형 태양전지에서 유연 태양전지 연구가 활발히 이루어지고 있으며 유연성 증가에 따라 레저용, 군사용, 우주용 태양전지로도 그 활용 폭이 넓어질 것으로 예상되고 있다.
유기금속 할로젠 화합물 기반의 페로브스카이트 소재는 페로브스카이트 결정 구조를 가지는 유·무기 복합 소재로서 높은 흡광 능력, 쉬운 밴드갭(band gap) 조절, 뛰어난 전기적 특성 등으로 차세대 태양전지 광흡수층 재료로 각광받으며 현재 20% 이상의 고효율 페로브스카이트 태양전지가 보고되고 있다. 이에 따라 유연 고효율 태양전지를 위한 유연 페로브스카이트 태양전지 연구도 활발해졌다.
그러나 지금까지는 실제 페로브스카이트 태양전지에 이용되는 결정질 박막인 페로브스카이트의 물성에 대한 정확한 연구가 부족했다. 결정질 박막인 페로브스카이트는 페로브스카이트의 조성, 결정립의 모양 및 크기 등에 영향을 받는데 페로브스카이트 박막이 얇고 수분, 산소에 취약하여 정확한 물성분석이 어려웠기 때문이다. 따라서 측정된 페로브스카이트 박막의 물성이 실제 페로브스카이트 태양전지의 유연성과 맞지 않아 페로브스카이트 태양전지의 정확한 유연성 예측 및 향상이 어려웠다.
이처럼 고효율 태양전지 재료로 최근 주목 받고 있는 ‘페로브스카이트(Perovskite)’의 고유 물성 분석과 유연성을 극대화하는 태양전지 설계를 통해, 접는 수준이 가능한 페로브스카이트 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 이제 태양전지를 접어 주머니에 넣어 다니다 원하는 때에 펼쳐 쓰는 날이 가까워지고 있다.
UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 김주영‧송명훈 교수 공동연구팀은 접을 수 있을 정도로 유연한 ‘페로브스카이트 태양전지(Perovsktie Solar Cell, 이하 PeSC)’를 개발했다. 공동연구를 통해 태양전지 구성 재료인 페로브스카트 박막의 정확한 물리적 특성 분석과 유연성 극대화를 위한 기판과 투명 전극 디자인을 적용한 결과다.
특히, 이번 연구는 태양전지의 유연성 예측이 가능할 정도로 정확한 페로브스카이트 박막의 물리적 특성 분석과 기판, 투명전극 소재 최적화를 통해 PeSC를 접을 수 있는 수준(foldable)까지 유연성을 극대화 하여 주목을 받고 있다.
PeSC의 광활성층인 페로브스카이트 박막의 정확한 물리적 특성(파단강도, 탄성계수)분석은 유연한 PeSC를 만들기 위한 선결조건이다. 하지만 기존의 페로브스카이트 박막 물성 분석은 실제 전지에서와 다른 조건의 박막을 이용하거나 간접적인 물성 분석법을 이용하고 있어, 실제 PeSC에서 페로브스카이트 박막의 정확한 유연성 예측이 힘들었다. 반면 이번 연구에서는 실제 PeSC에서와 동일한 조건의 페로브스카이트 박막에 대한 직접적인 단축 인장 실험으로 정확한 물리적 특성을 측정하였고, 이를 토대로 정확한 태양전지 유연성 예측이 가능해진 것이다.
또한 이번 연구에서는 페로스카이트 박막 외에 다른 태양전지 구성층들의 물리적 특성을 분석하여 유연성이 극대화된 태양전지를 설계했다. PeSC의 유연성을 제한하는 기존 금속산화물 투명전극을 유연한 초박막 금속 투명전극으로 바꾸고, 고분자 기판의 두께를 15μm까지 줄인 결과 새로운 유연 PeSC는 접는 수준과 같은 1.0 ㎜ 곡률 반경에서 1000회의 굽힘 후에도 태양전지 광전 변환 효율을 유지했다.
공동연구팀의 김주영 교수는 “이번 연구로 PeSC의 유연성을 정확하게 예측하고 이를 극대화할 수 있게 됐다”며 “다양한 조건의 페로브스카이트 박막의 물성 분석 결과를 활용하여 PeSC의 유연성뿐 아니라 광전 변환 효율 또한 향상 시켜나갈 계획”이라고 밝혔으며, 송명훈 교수는 “PeSC 유연성 극대화 연구를 통해 PeSC의 활용성을 웨어러블 디바이스 등에 확대시키면 우리 실생활에 더 가까운 태양전지 기술이 될 수 있을 것”이라고 기대했다.
한편 이번 연구결과는 나노 분야의 세계적 권위지인 ‘나노 레터스(Nano Letters)’ 5월 23일(목요일)일 온라인 속보로 공개됐으며, 안승민 박사후 연구원, 정의대 석박사통합과정 연구원이 1저자로 참여했다. (논문명: Nanomechanical Approach for Flexibility of Organic-Inorganic Hybrid Perovskite Solar Cells)
