[사이언스] 더 오래, 더 유연하게... 하이브리드 소재 페로브스카이트 태양전지용 전극 개발

특허뉴스 선우정 기자 | 기사입력 2019/09/05 [14:40]

[사이언스] 더 오래, 더 유연하게... 하이브리드 소재 페로브스카이트 태양전지용 전극 개발

특허뉴스 선우정 기자 | 입력 : 2019/09/05 [14:40]

 

▲ 페로브스카이트 태양전지에 무 전사 그래핀과 전사된 그래핀의 특성평가 비교 / (a)무전사 그래핀과 전사된 그래핀으로 전극으로 사용시 전류 밀도 비교 (b)투명도 비교와 유연성을 보이는 이미지 (c)Quantum efficiency 와 Integrated 전류 밀도 비교 (d)장기 안정성을 보이는 효율변화.     © 특허뉴스

 

한국연구재단은 충남대학교 윤순길 교수 연구팀이 페로브스카이트 태양전지를 저온(100oC)에서 제작할 수 있는 무()전사 그래핀 전극을 개발했다고 5일 밝혔다.

 

통상 그래핀은 원료를 고온(500 oC-900 oC)에서 가스 상태로 구리 같은 금속 박판 위에 흡착시키는 방식으로 만들어지는 데 흡착 후 박판을 제거하고 다른 기판으로 옮기는 전사공정이 필요하다.

 

전사과정에서 그래핀이 기판에 완전히 붙지 않거나 표면에 주름이 생기거나 내부에 금이 갈 경우 전극 특성이 현저히 저하된다.

 

이에 연구팀은 100oC 이하에서 탄소를 타이타늄(10nm) 버퍼층에 흡착하는 방식으로 대면적(4인치 및 8인치 웨이퍼 스케일) 그래핀을 성장하는 다른 방식을 이용했다.

 

이 방식의 경우 타이타늄 버퍼층이 그래핀의 투명도나 전기적 특성에 영향을 미치지 않아 별도의 기판으로 옮기는 전사과정을 생략할 수 있어 물성 저하를 막을 수 있다.

 

실제 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 전사공정을 통한 그래핀 태양전지 대비 효율이 14.2%, 투명도는 약 26%로 향상되었다.

 

500시간 사용시 전사 공정된 그래핀 태양전지는 초기 효율보다 약 20% 감소를 보였으나 무전사 그래핀 전극은 약 13%의 감소에 그쳤고, 유연성 측면에서 1,000 사이클에서 전사 공정된 그래핀 태양전지보다 7% 향상된 안정성을 보였다.

 

뿐만 아니라 연구팀은 그래핀을 페로브스카이트 박막으로 제조할 때 용액공정이 아닌 화학증착법을 이용하여 약 100oC에서 제작함으로써 공정의 복잡함을 크게 해소했다.

 

▲ 무(無) 전사 그래핀과 전사된 그래핀을 전극으로 한 태양전지의 유연성 평가 / (a) 인장 스트레인에 따른 두 전지의 효율 변화 비교 (b) 인장 스트레인 1.5% 에서 1,000 사이클 동안 효율 변화 비교 (c) and (d), 1.5% 인장 스트레인에서 1,000 사이클 동안 전지의 전류밀도 변화 비교.     © 특허뉴스

 

기존 용액공정에서 합성이 진행될 경우 외부 노출시 수분에 민감하여 세심한 관리가 필요하며 장기 안정성 측면에서 취약하다.

때문에 태양전지로 제조할 경우 외부 공기를 차단한 글로브 박스에서 증착하여 바로 소자를 제작해야 하는 어려움이 있었다.

 

윤순길 교수는 무전사, 저온공정에서 대면적으로 성장한 그래핀을 페로브스카이트 태양전지에 전극으로 활용하여 태양전지의 유연성을 확보하고 또한 장기안정성을 구현할 수 있어 실리콘 태양전지를 대체하고자 하는 페로브스카이트 태양전지의 한계성을 극복한 것이라고 설명했다.

 

이번 연구 성과로 고온(500 oC 이상)에서 만들어지는 기존 페로브스카이트 태양전지의 전극 대비 안전성과 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.

 

이 연구의 결과는 에너지 분야 국제학술지 '나노 에너지(Nano Energy)'826일 게재되었다.

 

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