실리콘 대체, 차세대 섬유형
옷처럼 입는 태양전지
건국대 융합신소재공학 전용석 교수팀

건국대학교 공과대학 융합신소재공학과 전용석 교수 연구팀이 옷처럼 자유롭게 몸에 착용할 수 있는(웨어러블성능) 섬유형 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지와 메탈 유연기판의 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 발표했다.

티타늄 딤플 나노구조 개발, 적용

섬유형 차세대 페로브스카이트 태양전지 연구에서 건국대 전용석 교수 연구팀은 기존의 개발된 섬유형 태양전지의 문제점인 단락적인 이산화 티타늄 치밀층과 불균일한 다공성 이산화 티타늄 코팅 문제를 해결하기 위해 양극산화 방법을 활용한 이산화 티타늄 딤플(dimple) 나노 구조를 개발하고 이를 적용했다.

건국대 연구팀은 연속적인 이산화 티타늄 치밀층 형성, 균일한 다공성 이산화 티타늄 코팅, 소결시 구조 유지 및 소자의 복원력을 향상시켰다. 또 실버 나노와이어를 전극으로 활용함으로써 섬유형 태양전지에서 가장 큰 걸림돌이 될 수 있는 투명전극문제에 대한 해결 방안을 제시했다.
이번 섬유형 페로브스카이트 태양전지 연구에 공동 제1저자로 참여한 건국대 융합신소재공학과 석사과정 고요한 학생은 “양극산화를 이용한 이산화 티타늄 2차원 나노 구조체를 만드는 연구 중 태양전지에 적용되지 않았던 나노 구조체를 발견하였고, 섬유형 태양전지 구조에 가장 적합할 것 같아서 이것을 적용하게 됐다”고말했다.
섬유형 태양전지 연구에 대해 전용석 교수는 ”섬유형 기반의 차세대 페로브스카이트 태양전지는 기존 연구가 부족한 분야로, 이번 연구의 결과가 섬유형 기반의 페로브스카이트 태양전지연구에 밑거름이 될 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구결과는 국제 저명 학술지 JMCA (Journal of Materials Chemistry A, IF:7.443)에 지난 8월 표지논문으로 게재됐다. (논문명: Efcient fiber-shaped perovskite photovoltaics using silver nanowires as top electrode)

휘어지는 플렉서블도 개발

건국대 연구팀은 또 메탈 유연기판 플렉서블 페로브스카이트 태양전지 연구에서 기존 고분자 기반의 기판을 대체해 메탈 유연기판을 적용해 플렉서블 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.
특히 이번 연구에서 연구팀은 높은 빛 투과도를 지닌 인듐주석산화물(ITO)을 활용하여 금속전극을 대신했다. 또 ITO가 지닌 취성(brittleness) 문제를 해결하기 위해 은을 ITO기판에 주입(embed)했고, 이는 ITO에 내구성을 부과하여 높은 전도성을 지닌 휘어지는(플렉서블) 투명 전극 기판으로서 사용할 수 있게 했다.
전용석 교수는 “용액 공정이 가능하고, 풍부한 자원과 함께 고효율을 내는 페로브스카이트 물질은 차세대 태양전지 물질로써 많은 연구가 진행되고 있는 물질”이라며 “이 연구는 ITO를 금속 대체 전극으로 사용할 수 있다는 가능성을 보여줬으며, ITO기판에 은을 얇게 도포하여 ITO의 취성 문제 해결 방안을 제시함으로써 향후 플렉서블 태양전지 소자연구에 많은 도움이 될 것이 기대된다”고 말했다. 이 연구에는 울산과학기술원(UNIST) 이민오 박사 과정생이 연구에 참여하였다.
패로브스카이트: ABX3 화학식을 갖는 결정구조로 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물. 1839년 러시아 우랄산맥에서 처음 발견되었으며 러시아 광물학자 과학자(Perovski)의 이름을 땄다.실리콘태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지 소재로 떠오르고 있다.
ITO: 산화인듐(In2O3)은 도전성을 가지고 있으나, 이것에 산화주석(SnO2)을 수~10%첨가하여 더욱 더 도전성을 높인 것을 말한다. ITO를 스패터링 타깃(Spattering Target)으로 가공하여, 글래스판에 스패터링을 하면, 투명한 도전막을 얻을 수 있다.

[본 기사는 월간 경제풍월 제196호 (2015년 12월호) 기사입니다]