과기연, 복원력 강한 플렉서블 태양전지 개발

신기술
과기연, 복원력 강한 플렉서블 태양전지 개발
웨어러블 태양전지, 이제는 옷으로 입는다
국내 연구진이 구겨지거나 접어도 원래형태로 회복이 가능하며 효율이 높은 새로운 구조의 플렉서블 태양전지 원천기술을 개발했다. 한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀과 연세대학교 기계공학과 김대은교수팀은 형상기억 고분자 기판위에 기존의 잘 깨지는 투명전도성 전극 ITO(Indium Tin Oxide)와 금속 후면전극 대신에 고분자 투명전극(PEDOT:PSS)과 액체금속을 사용하여 태양전지를 접고 구기더라도 원래형태로 돌아갈 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

고민재 박사

형상기억 고분자 기판 활용
신개념 고효율 플렉서블 태양전지 구현
최근 유·무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 향후 실리콘 태양전지와 경쟁할 수 있을 정도의 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 평가받고 있다.  이 연구는 시작 3년 만에 최고 효율 20.1%까지 기록했고, 용액 및 저온 공정에 기반을 두고 있기 때문에 플렉서블 태양전지로 사용되기에 최적화된 물질이다.  플렉서블 태양전지는 플라스틱 기판을 사용하기 때문에 150℃ 이하의 저온공정을 필요로 하는데, 유기반도체를 페로브스카이트와 전극 사이에 중간층으로 사용하는 태양전지 구조에서는 모든 공정이 150℃ 이하에서도 제작할 수 있으므로 플렉서블 태양전지에 최적화되어 있다고 볼 수 있다. 그러나 웨어러블 및 플렉서블 소자의 전력 공급체로 적용하기 위해서는 기존의 플라스틱 기판을 대체할 수 있는 새로운 투명전극 기판이 필요했다.  일반적으로 사용되는 플라스틱 필름은 많이 구부리거나 접으면 소성변형이 쉽게 일어나서 원래형태로 회복되지 않고, 투명전도성 전극 역시 잘 깨지기 때문에 웨어러블 및 플렉서블 소자에 적용하기엔 적합하지 않은 기판이다. 공동연구팀은 이러한 플라스틱필름 대신 형상기억고분자(NOA 63)를 평평한 기판으로 만들어서 120℃ 이하의 저온공정으로 페로브스카이트 태양전지를 구성했다.
태양전지를 접기 전 광전변환 효율이 최고 10.83%, 접고 난 후 10.4%였으며 1,000번의 벤딩 테스트 후에도 9.68%로 ITO가 없는 페로브스카이트 태양전지 중에서는 가장 높은 효율과 기계적 안정성을 나타냈다.  또한, 완전히 구겨지더라도 기판의 형상기억 특성 때문에 최초의 형태와 거의 유사한 모양으로 회복됐으며 원래형태로 복구된 후에는 6.1% 효율을 기록했다. 연구진은 기존의 플라스틱 기판 대신 형상기억 고분자 기판을 아주 편평하게 만들고 이 위에 ITO가 아닌 PEDOT:PSS를 투명전극으로 증착했다. 그 위에 페로브스카이트 박막과 전자 수송층을 차례로 증착한 뒤, 액체금속을 도포하여 단단한 금속 후면전극을 대체했다.  태양전지를 접기 전·후의 효율은 거의 변화가 없었으며 1,000번의 벤딩 테스트에서도 초기효율 대비 90% 이상 유지될 정도로 좋은 내구성을 보여주었고, 구겨지고 난 뒤에 원래형태를 그대로 회복하는 것을 보여주었다.  또한 나노 인덴테이션 방법과 수학적 시뮬레이션 해석을 통해 태양전지를 구성하는 모든 재료가 기계적으로 매우 유연하고 특히 페로브스카이트 박막은 접어도 변형이 거의 일어나지 않는 것을 세계 최초로 증명했다.

접거나 구겨도 깨지지 않고 원래형태로 회복
웨어러블 소자 등 광에너지 자원으로 활용 기대
또한, 나노 인덴테이션 분석법과 전자현미경을 이용하여 태양전지에 사용된 재료의 기계적 특성을 심도있게 분석하고, 수학적 시뮬레이션을 통해 태양전지를 접더라도 모든 재료에 손상 없음을 세계 최초로 증명했다.  따라서 페로브스카이트 박막은 매우 유연하면서도 높은 광전효율을 낼 수 있는 광흡수물질이며 이는 앞으로 플렉서블 태양전지 분야에서 각광을 받을 수 있을 것으로 기대된다. 연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 유연성이 매우 뛰어나고 용액 및 저온공정이 가능하며, 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대전자소자 등 다양한 전자기기의 핵심적인 광에너지 자원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다. 이번 연구는 KIST 주요연구사업인 영 펠로우 연구사업과 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 글로벌프런티어사업 멀티스케일 에너지시스템연구단의 지원으로 수행됐으며, 차세대 태양전지로 각광을 받고 있는 페로브스카이트 태양전지 분야에서 현재 큰 주목을 받고 있다.  이 분야에서 상대적으로 연구가 덜 되어있는 기계적 특성부분에 앞으로 많은 연구가 이루어질 것으로 보이며, 이는 향후 플렉서블 태양전지를 구현하는 데 있어서 매우
중요한 요소로 고효율·고유연성 태양전지 구현을 통해 웨어러블 태양전지 등 각종 다양한 웨어러블, 플렉서블 소자로 응용될 것으로 기대된다.  이번 연구결과는 에너지분야 전문학술지인<Advanced Energy Materials>11월 18일자에 표지논문으로 게재됐다.

용어설명
1. ITO
주석 산화물(tin oxide)에 인듐이 도핑된 금속 산화물로서 투명하면서도 금속의 전기 전도도에 준하는 높은 전도성을 가지기 때문에 태양전지, 디스플레이 분야에서 대표적으로 사용 되는 소재이다.
2. PEDOT:PSS
poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate의 약자로, 대표적인 투명 전도성 고분자이다. ITO를 대체할 수 있는 투명 전극소재로 꼽히며 ITO보다 낮은 가격과 용액공정이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
3. 페로브스카이트
유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합되어 있는 물질로서, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체이다. 기존의 금속산화물로 이루어진 페로브스카이트 결정 구조와 유사한 구조를 갖는다.



[그림 1]
(a) 형상 기억 고분자 기판 및 투명전극을 만드는 과정.
(b) 만들어진 형상 기억 고분자 기판의 실제 사진
(c) 형상 기억 고분자 기판, 투명전극의 파장에 따른 광 투과도



[그림 2]
(a) 실제 태양전지를 구기고 난 뒤 완벽하게 회복되는 모습을 관찰한 사진
(b) 태양전지를 구기기 전-후 전류-전압 곡선
(c) 구겨진 태양전지가 회복하고 난 후 표면을 관찰한 전자현미경 사진
(d) (c)가 확대된 전자현미경 사진