방사선으로 개발한 신소재로 차세대 태양전지 수명 늘린다

신일영 기자
입력 2016.12.01 00:00

원자력연, 페로브스카이트 태양전지 수명 2.5배 연장 신소재 개발

기존의 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 페로브스카이트 태양전지가 주목받고 있는 가운데, 국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 수명을 향상시킬 수 있는 신소재를 개발하는데 성공했다. 한국원자력연구원(원장 김종경)은 연구원 소속 정찬희 선임연구원이 방사선을 이용해 차세대 태양전지의 수명을 향상시킬 수 있는 신소재 개발에 성공했다

고 밝혔다.

그래핀-고분자 하이브리드 소재,

전도성 고분자 화합물 대체 가능

일반적으로 사용되는 실리콘 태양전지의 경우 모래알갱이 등으로 실리콘을 만들기 때문에 재료를 쉽게 구할 수 있다. 그러나 제조공정이 복잡하고 가격이 높을뿐만 아니라, 효율도 20%대에 머무르고 있다. 반면, 페로브스카이트 구조 태양전지는 그 효율이 22%를 상회할 뿐만 아니라, 지속적인 연구를 통해 효율향상이 기대되어 국내외에서 많은 주목을 받고 있다. 한국원자력연구원 공업환경연구부 정찬희 선임연구원이 주도하고, 전북대학교 나석인 교수팀이 참여한 이번 연구에서는 차세대 태양전지 소재로 사용되는 ‘전도성고분자 화합물’(PEDOT:PSS)을 대체할 수 있는 ‘그래핀-고분자 하이브리드 소재’(PRGO)를 개발하고, 이를 이용해 페로브스카이트 태양전지 수명을 기존 대비 2.5배 늘릴 수 있다는 것을 확인했다.
연구진은 이번 연구를 통해서 그래핀 산화물에 방사선의 일종인 감마선을 조사하고, 특정한 화학반응을 유도함으로써 PRGO(Polyacrylonitrile-grafted Reduced Graphene Oxide Hybrid)를 개발했다.

높은 수분 저항성으로 안정적

상용화시 대량생산 효율성 증가

신소재 PRGO는 태양전지의 광활성층과 전극 사이에서 양전하(＋)를 전달하는 정공수송층에 사용되는데, 수분에 대한 저항성이 높아 안정적이다. 또한, 중성을 띠고 있어 인접한 다른 재료의 부식에 영향을 미치지 않는 장점이 있다. 반면, 기존 정공수송층의 소재로 사용되고 있는 PEDOT:PSS의 경우, 공기 중에 존재하는 수분을 흡수해 변질되기 쉽다. 또한, 강한 산성을 띠어 인접해 있는 다른 재료를 부식시켜 페로브스카이트 태양전지의 수명을 저하시키는 원인 중 하나로 알려져 있다.

국내외에서는 정공수송층의 소재로 PEDOT:PSS의 문제점을 극복할 수 있는 그래핀 기반 소재의 연구가 활발히 진행 중이며, 이번에 연구진이 개발한 PRGO 또한 그래핀 기반의 신소재다. 하지만, 기존 그래핀을 대량생산하기 위해서는 그래핀 산화물에 환원제(하이드라진)를 첨가하고, 장시간 고온의 열처리가 필요해 상대적으로 많은 시간과 비용이 소요되고 있다.

[그림 1] 방사선(감마선)이용 ‘그래핀-고분자 하이브리드 소재’ 제조과정

그래핀-고분자 하이브리드 소재는 그림에 나타낸 바와 같이, 그래핀 산화물과 단량체가 포함되어 있는 혼합물에 감마선을 조사하고 특정한 화학반응(접목중합 및 환원)을 유도하여 상온에서 별도의 첨가제(중합 개시제 및 환원제) 없이 제조한다.

이에 반해 PRGO는 제조 공정상 방사선을 이용해 상온에서도 별도의 첨가제 없이 쉽게 제조할 수 있다. 따라서, 이를 상용화할 경우 페로브스카이트 태양전지의 보다 효율적인 대량생산에 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 연구진은 이번 연구를 통해 새롭게 개발한 신소재를 차세대 태양전지의 수명을 늘릴 수 있을 뿐 아니라 스마트폰과 TV에 사용되는 OLED(유기발광다이오드) 등 고성능 차세대 전자소자의 성능향상에도 다양하게 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있다.

이번 연구결과는 세계 에너지분야 권위지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 온라인판 11월 10일자에 게재됐으며, 미래창조과학부 방사선기술개발사업의 일환으로 추진됐다.

※ 태양전지의 원리: 태양전지에 빛을 비추면 중심부에 위치한 광활성층에서 음전하(－)와 양전하(＋)가 발생하고, 두 전하가 각각 전자수송층과 정공수송층을 거쳐 전극으로 이동, 전류를 발생시킨다.

[그림 2](a)신소재와 기존소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지 구조 양극(ITO)위의 정공수송층에 신소재(PRGO) 또는 기존소재(PEDOT:PSS)를 두고, 그 위에 광활성층 소재로 페로브스카이트와 PCBM을 순

차적으로 적층한 후 음극(Al)을 형성하여 페로브스카이트 태양전지를 제작함. (b)수명비교 그래프 각각의 페로브스카이트 태양전지 수명을 비교한 결과, 신소재 PRGO(● 그래프)를 사용했을 때 기존 소재인 PEDOT:PSS(■ 그래프)를 사용했을 때보다 태양전지의 수명이 2.5배 향상됨.(세로축 : 전기전도도 /가로축 : 시간)

[그림 3] 회전도포 공법을 통해 형성한 신소재 PRGO 및 기존소재 PEDOT:PSS 특성 비교

(a)현미경으로 본 표면사진 신소재(PRGO)는 기존소재(PEDOT:PSS)와 동일하게 기판표면을 완전히 균일하게 덮는 막을 고르게 형성하면서, 수분에 대한 강한 저항성(높은 물 접촉각)을 나타냄→ PRGO는 PEDOT:PSS 보다 수분 저항성이 높아 소재가 변질될 위험성이 낮음. (b)전기 전도도 비교 그래프 수분 안정성 평가 결과에 따라 주어진 조건(상대습도 90%와 50℃의 온도 조건에서 노출)하에서 PRGO(큰 막대그래프)는 전기 전도도 변화가 없는 반면, 수분에 대한 친화성이 높은 PEDOT:PSS(작은 막대그래프)는 5시간 만에 전기 전도도를 나타내지 않음.(세로축 : 전기전도도 / 가로축 : 시간) → 기존 소재인 PEDOT:PSS는 높은 습도에서 장시간 노출될 경우 소재가 변질되어 수명이 급격히 저하됨. 반면, PRGO는 지속적인 안정성을 보임.

용어설명

1. 그래핀 산화물 : 값이 싼 흑연을 산 처리를 통해 제조되는 다량의 산소원소를 함유하는 화학 관능기를 갖는 비전도성 그래핀.

2. 단량체 : 고분자를 구성하는 단위물질로 중합반응을 통해 고분자를 만들 수 있는 출발 물질.

3. 접목중합 : 일반적으로 고분자에 단량체들을 연속적으로 결합시켜 이종의 고분자를 형성시키는 반응으로 이 연구에서는

그래핀을 대상으로 접목중합을 했다.

4. 그래핀 산화물 환원 : 그래핀 산화물에 존재하는 산소원자가 제거되면서 전기 전도성을 나타내는 탄소 이중결합 구조를

복원하여 전도성 그래핀을 형성시키는 반응.