UNIST 김진영 교수팀…"제조단가 낮추고 안정성은 극대화"
울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 김진영 교수팀은 그래핀에 불소(F) 원자를 도입한 물질을 이용해 알루미늄 전극을 쓰는 페로브스카이트 태양전지 소자를 개발했다고 19일 밝혔다.
값비싼 금 대신 알루미늄을 쓰면서도 안정성은 획기적으로 높일 수 있는 기술이라는 게 연구팀의 설명이다.
이 기술은 김 교수와 김동석 한국에너지기술연구원(KIER) 박사가 공동으로 진행했고, 제1 저자는 김기환 UNIST 에너지 및 화학공학부 연구교수다.
연구 내용은 나노 재료 분야 국제 학술지 나노 레터스(Nano Letters) 온라인판에 게재됐다.
페로브스카이트 태양전지 소자 개발 연구팀 |
최근 활발히 연구 중인 페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지의 가장 강력한 후보다.
태양 빛을 전력으로 바꾸는 광 전환효율이 실리콘 태양전지에 버금가는 20% 이상으로 보고되면서 상용화 가능성을 보였기 때문이다.
하지만 아직 안정성이 낮고 전극으로 금을 사용해 비싸다는 점 등이 상업화에 걸림돌이다.
페로브스카이트 물질은 공기 중 수분 영향으로 쉽게 분해돼 안정성이 낮다는 문제가 있었다.
김 교수팀은 이 문제를 불소 그래핀을 개발해 해결했다. 탄소(C) 원자로 이뤄진 그래핀에 불소(F) 원자를 도입해 물을 튕겨내는 소수성을 가진 물질을 개발해낸 것이다.
김 교수는 "프라이팬을 코팅하는 '테플론(Teflon)'이라는 물질은 소수성은 뛰어난데, 이 물질이 탄소와 불소의 결합(C-F 결합)으로 이뤄졌다"며 "그래핀에 있는 탄소 자리를 불소로 치환해 테플론처럼 높은 소수성을 가지는 2차원 물질을 개발하고 페로브스카이트 태양전지에 적용했다"고 설명했다.
김진영 UNIST 교수 |
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 전극으로 금 대신 알루미늄을 써도 안정성이 떨어지지 않았다.
공기 중에서 산화되기 쉬운 알루미늄 성질을 불소 그래핀이 보완해준 덕분이다.
김 교수는 "금 대신 알루미늄을 사용해 전극을 만들면 제조단가를 낮출 수 있다"며 "페로브스카이트 태양전지 안정성을 극대화해 차세대 태양전지뿐 아니라 다양한 사물인터넷 전원, 디스플레이 기기에 적용할 기반 기술"이라고 말했다.
페로브스카이트 태양전지 |
이번에 개발한 페로브스카이트 태양전지 소자는 유연한 필름에 물질을 코팅하는 과정인 용액공정으로 제작했다.
용액공정을 이용하면 구부러지고 휘어지는 웨어러블 기기에도 태양전지를 적용할 수 있어 활용도가 높을 것으로 전망된다.
차세대 태양전지는 기존에 실리콘을 이용하는 무기물 전자 소자보다 제조공정이 단순하고, 제작단가가 낮다는 장점이 있다.
김 교수는 "이번 연구는 높은 광 전환효율에 비해 안정성이 낮은 페로브스카이트 태양전지 단점을 극복하는 원천기술"이라며 "앞으로 페로브스카이트 태양전지가 상업화하는 데 핵심 기술로 자리매김할 것"이라고 밝혔다.
young@yna.co.kr
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