전북대학교 한윤봉 교수팀(공대 화학공학부)이 차세대 태양전지로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지용 기능성 복합소재를 개발, 에너지 분야 세계적 학술지인 'Nano Energy' 최신호(vol. 64 (2019) 103964)에 게재돼 세계 학계의 주목을 받고 있다.

‘페로브스카이트 태양전지’는 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 태양전지로 각광을 받고 있다. 그러나 광학적, 열적 불안정성과 이온들의 이동과 물에 의한 페로브스카이트의 분해로 인해 수명이 현저하게 단축되는 문제점을 가지고 있다.

또한 결정립(crystal grain)이 크고 균일한 페로브스카이트 박막을 성장시키기 위해 톨루엔과 클로로벤젠 같은 유기용매를 사용하는 데, 이런 용매들은 유해할 뿐만 아니라 태양전지의 안정성 문제의 원인이 되기 때문에 실용화를 위해서 극복해야하는 문제다.

한 교수팀은 그간 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 해결하기 위해 복합소재 제조와 계면공학 기술 등을 적용하여 페로브스카이트 태양전지의 수명을 크게 향상시킬 수 있음을 'Nano Energy'(IF=15.548)와 'ACS Energy Letters'(IF=16.331)에 지난 2년간 5편의 논문으로 발표한 바 있다. 그러나 여전히 유해한 독성 유기용매를 사용하는 문제를 갖고 있었다.

이번에 개발한 기술은 이러한 유해한 독성 유기용매 사용의 문제를 극복한 것. 구리와 산화니켈, 산화알루미늄, 탄소, 흑연 등을 페로브스카이트와 혼합하여 새로운 조합을 갖는 기능성 복합소재를 제조해 활성층과 전자수송층 및 계면층에 적용하고, 독성 유기용매를 사용하지 않는(antisolvent-free) 공정으로 대기 중에서 태양전지를 제조함으로써 안정성 문제를 종합적으로 해결하는 기술이다.

제조한 페로브스카이트 태양전지는 효율(18.6 %)과 재현성이 우수했으며, 광학적, 열적, 수분 안정성이 매우 우수하여 280일이 지나도 태양전지 효율이 94% 이상 유지되는 결과를 얻을 수 있었다.

한윤봉 교수는 “이번 연구 결과는 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 개선한 것으로서 태양전지를 실용화하는 데 한 걸음 다가선 연구로 의미를 갖는다”고 말했다.

한편, 이번 연구에는 한윤봉 교수와 왕유셍 박사, 타미네 마흐모디 박사, 노원엽 교수가 참여했으며, 미래창조과학부의 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다. 왕유셍 박사와 타미네 마흐모디 박사는 한 교수의 지도로 전북대에서 박사학위를 취득했다.
/장은성 기자