전북대학교 한윤봉(화학공학부) 교수 연구팀은 기능성 나노복합소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지 신기술 개발에 성공하면서 첨단 에너지 소재 분야의 세계적 학술지인‘Advanced Energy Materials’(IF=24.884)의 표지논문(Front Cover)으로 게재돼(2020. 01. 14) 세계 학계의 주목을 받고 있다.

차세대 태양전지로 각광받는 페로브스카이트 태양전지는 장기간 공기에 노출될 경우 광학적-열적 불안정성과 이온들의 이동과 물에 의한 페로브스카이트 물질의 분해로 인해 소자 수명과 효율이 현저하게 단축되는 문제점을 갖고 있다.

이에 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 위해서는 고효율을 유지하면서 장기간 안정성을 확보할 수 있는 소재개발이 필요로 했다.

한 교수팀은 그동안 다양한 나노복합소재를 개발해 페로브스카이트 태양전지에 적용하는 연구를 통해 태양전지의 수명을 현저하게 향상시킬 수 있음을 ‘ACS Energy Letters’(IF=16.331)와 ‘Nano Energy’(IF=15.548)에 여러 편의 논문으로 발표한 바 있었으나 광전류밀도와 효율(17-18%)이 비교적 낮다는 문제점을 갖고 있었다.

이번에 개발한 기술은 용액 법으로 제조한 고순도 그래핀을 바탕으로 페로브스카이트-그래핀 및 스트론튬산화티타늄-산화알루미늄-그래핀 기능성 복합소재를 제조하고 이들을 각각 태양전지의 활성층과 전자수송층에 적용해 상기한 문제들을 종합적으로 해결하는 기술이다.

기능성 나노복합소재를 적용한 페로브스카이트 태양전지는 재현성과 열적 광학적 안정성이 우수할 뿐만 아니라 높은 광전류밀도(25.75?mA/cm2)와 효율(20.6 %)을 나타냈으며 대기조건에서 300일이 지나도 태양전지 효율이 93% 이상 유지되는 결과를 얻을 수 있었다.

이번 연구 결과는 그래핀 기반의 기능성 나노복합소재를 개발해 페로브스카이트 태양전지의 활성층과 전자수송층에 적용함으로써 실용화에 걸림돌이 되는 문제점들을 이론과 실험을 통해서 규명하고 해결했다는 점에서 의미가 크다.

한편 이번 연구에는 한윤봉 교수와 타미네 마흐모디 박사, 왕유셍 박사가 참여했으며 미래창조과학부의 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다.

왕유셍 박사와 타미네 박사는 한 교수의 지도로 전북대 화학공학부에서 박사학위를 취득했다.
/장은성 기자