"물에 잠겨도 문제 없다"… 수분 침투 막는 페로브스카이트 태양전지

재료연, 낚시그물 모사한 분자 네트워크 형성 페로브스카이트 태양전지 계면서 수분 억제 수분·습기 많은 환경서 안정적 작동, 효율 확인 비를 맞아도 물에 잠겨도 성능을 유지하는 페로브스카이트 태양전지가 개발됐다. 수분에 취약해 성능이 저하되는 수분 안정성 문제를 해결할 수 있어 수분과 습기가 많은 환경에서 안정적으로 작동할 수 있는 차세대 태양전지 상용화를 앞당길 것으로 기대된다. 한국연구재단은 김소연·임동찬 한국재료연구원 박사 연구팀이 낚시 그물 구조를 모사한 분자 네트워크를 형성해 페로브스카이트 계면의 수분 침투를 막는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다. 페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 버금가는 광변환 효율을 가지면서 낮은 비용으로 제작할 수 있어 차세대 태양전지로 평가받고 있다. 하지만 페로브스카이트 소재는 수분과 산소에 매우 취약해 비나 습기에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 치명적인 문제를 안고 있다. 지금까지는 두꺼운 보호막(봉지층)을 씌워 외부의 물을 막는 방식을 주로 사용했지만, 제조 비용이 증가하고 유연성이 떨어지는 한계가 있었다. 연구팀은 구리 이온을 연결고리로, 단단한 유기분자(BCP)와 유연한 고분자(PEIE)를 결합해 낚시 그물처럼 촘촘한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성했다. 단단한 유기분자(BCP)는 수분이 침투하지 못하게 하고, 유연한 고분자(PEIE)는 단단한 유기분자 사이를 부드럽게 연결해 접착제와 완충제 역할을 한다. 이 구조는 수분이 페로브스카이트 내부로 침투하는 것을 막는 동시에 태양전지 성능 저하의 원인인 이온 이동도 효과적으로 억제했다. 연구팀은 태양전지를 실제 물 속에 반복적으로 담그는 침수 시험을 진행한 결과, 침수 후 성능 유지와 회복 가능성을 확인했다. 또 공기 중에서 제작한 태양전지의 광변환 효율이 26% 이상을 달성했으며, 유연 기판 소자에서도 1만회 이상 반복 굽힘 시험 후에도 높은 성능을 유지해 유연 태양전지에도 적용할 수 있음을 확인했다. 김소연 박사는 "외부 소재를 보호막으로 사용하는 봉지 기술 대신 태양전지 소재 자체를 물에 강해 만들어 성능 저하를 막은 연구"라며 "앞으로 탠덤 태양전지에 적용해 건물일체형 태양광과 영농형 태양광 등 다양한 분야에서 상용화를 추진할 계획"이라고 말했다. 연구 결과는 나노·재료과학 분야 국제 학술지 '나노-마이크로 레터' 지난 17일자에 실렸다. 이준기 기자 bongchu@dt.co.kr