[대학저널 유제민 기자]전북대학교(총장 이남호) 공대 화학공학부 한윤봉 교수 연구팀이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 '페로브스카이트(Perovskite) 태양전지'와 유기태양전지의 광전류 밀도와 수명을 획기적으로 개선할 수 있는 나노복합소재를 개발해 세계 학계로부터 주목 받고 있다.
이번 성과는 저렴한 가격으로 성능이 좋은 태양전지를 개발, 상용화하는 데 한 걸음 다가섰다는 의미를 가진다.
이 연구 결과는 에너지 분야 세계적 학술지인 'Nano Energy'(Impact Factor=11.553) 9월호와 10월호(온라인판)에 2편의 논문이 연달아 게재됐다.
실리콘 태양전지에 비해 페로브스카이트 태양전지는 저가 대량생산이 가능하며 높은 광 흡수율과 큰 전하 확산계수, 우수한 전하 이동능력 등으로 인해 발전효율이 높기 때문에 차세대 태양전지로 세계적으로 가장 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 지금까지 보고된 페로브스카이트 태양전지는 낮은 광전류밀도(이론 값의 74%)와 공기에 노출됐을 때 정공 수송용 고분자 물질과 페로브스카이트 물질의 분해로 인해 수명이 현저하게 단축되는 문제를 갖고 있다.
따라서 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위해서 이런 문제들을 해결하기 위한 연구가 전 세계적으로 광범위하게 진행되고 있다.
한윤봉 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 산화니켈(NiO) 나노입자와 페로브스카이트를 하이브리드한 나노복합소재를 개발했다.
개발한 나노복합소재를 활성층에 적용해 대기 중에서 정공 수송층*이 없는 페로브스카이트 태양전지를 제조한 결과, 페로브스카이트 물질만을 활성층으로 사용한 경우보다 광전류밀도가 이론값의 97%까지 증가했다. 또한 발전효율은 2배 이상 증가한 것이 확인됐다.
또한 대기 중에서 페로브스카이트 태양전지를 만들어도 공기 안정성이 매우 우수해 60일 이상 경과해도 소자수명이 90% 이상 유지되는 성과를 얻었다. 이는 페로브스카이트-산화니켈 나노복합소재의 화학적 안정성과 우수한 광전류 밀도 때문이라고 연구팀은 밝혔다. (Nano Energy 27권, 9월호).
*정공수송층 : 태양광에 의해 광흡수층의 엑시톤(exiton)이 전하와 정공으로 분리돼 생성된 정공이 전극쪽으로 원활하게 이동, 전류를 생성해주는 층.
또한 프린팅 기술로 저가 대량생산이 가능한 유기태양전지는 유기물질의 낮은 전도도와 화학적 불안정성 때문에 공기 중에 노출됐을 때 소자 구조가 깨지면서 발전이 안 되는 문제를 갖고 있다.
한 교수팀은 이 문제를 해결하기 위해 마이크로 전자렌지를 이용해 짧은 시간에 전기전도도와 화학적 안정성이 우수한 그래핀(graphene)-은(Ag) 나노복합소재를 제조하고 이를 유기태양전지의 활성층에 사용, 광전류밀도와 공기 안성성이 우수한 태양전지를 제조할 수 있음을 밝혔다. (Nano Energy 28권, 10월호)
한 교수는 "이번 연구는 차세대 태양전지인 페로브스카이트 태양전지와 유기태양전지의 실용화에 걸림돌이 되고 있는 단점들을 개선한 것"이라며 "저렴한 가격으로 성능이 좋은 태양전지를 상용화 하는 데 한 걸음 다가선 연구로 의미를 갖는다"고 말했다.
한편 이번 연구 결과는 미래창조과학부가 주관하는 중견연구자지원사업(전략연구)과 BK21플러스 사업의 지원을 받아 이뤄졌다.
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