UNIST 김진영 교수팀, 불소 그래핀으로 수분 막아 '페로브스카이트' 태양전지 안정성 확보

금 대신 알루미늄을 차세대 태양전지의 전극으로 사용할 수 있게 돼, 제작 단가를 낮추면서 안정성도 확보했다.
 
김진영 UNIST(총장 정무영) 에너지 및 화학공학부 교수팀은 그래핀에 불소(F) 원자를 도입한 물질을 이용해, 알루미늄 전극을 쓰는 '페로브스카이트' 태양전지 소자를 개발했다.
 
페로브스카이트 태양전지는 태양빛을 전력으로 바꾸는 광전환효율이 실리콘 태양전지에 버금가는 20% 이상으로, 차세대 태양전지의 가장 강력한 후보다. 그러나 공기 중 수분에 쉽게 분해돼 안정성이 낮다는 문제가 있었다.
 
알루미늄 전극을 쓰는 '페로브스카이트' 태양전지 <사진=UNIST 제공>
알루미늄 전극을 쓰는 '페로브스카이트' 태양전지 <사진=UNIST 제공>
김진영 교수팀은 이 문제를 '불소 그래핀'을 개발해 해결했다. 탄소(C) 원자로 이뤄진 그래핀에 불소(F) 원자를 도입해 물을 튕겨내는 소수성을 가진 물질을 만들어 냈다.
 
연구팀은 전극 층과 페로브스카이트 층 사이에 불소 그래핀을 두는 구조로 페로브스카이트 태양전지 소자를 만들었다. 그 결과 불소 그래핀이 물 분자를 튕겨내 페로브스카이트 물질이 분해되는 현상을 막았다.
 
또 공기 중에서 산화되기 쉬운 알루미늄의 성질을 불소 그래핀이 보완해, 금 대신 알루미늄을 전극으로 써도 안정성이 떨어지지 않았다.
 
이번에 개발한 페로브스카이트 태양전지 소자는 유연한 필름에 물질을 코팅하는 과정인 '용액공정'으로 제작했다. 용액공정을 이용하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 태양전지를 적용할 수 있어 활용도가 높을 전망이다.
 
차세대 태양전지는 기존에 실리콘을 이용하는 무기물 전자 소자에 비해 제조공정이 단순하고 제작단가가 낮다는 장점이 있다.

김 교수는 "이번 연구는 높은 광전환효율에 비해 안정성이 낮은 페로브스카이트 태양전지의 단점을 극복하는 원천기술"이라며 "차세대 태양전지뿐 아니라 다양한 사물인터넷의 전원, 디스플레이 기기에 적용할 기반 기술이다"라고 기대했다.
 
이 기술은 KIER(에너지기술연구원·원장 곽병성)-UNIST 차세대전지원천기술센터에서 추진한 결과로, 김진영 교수와 김동석 한국에너지기술연구원 박사가 공동으로 진행했다. 연구 내용은 나노 재료 분야 국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 9월 15일자 온라인 판에 게재됐다.

KIER(에너지기술연구원)-UNIST 차세대전지원천기술 연구진 <사진=UNIST 제공>
KIER(에너지기술연구원)-UNIST 차세대전지원천기술 연구진 <사진=UNIST 제공>
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