국내 연구진, 형상 기억 플렉서블 태양전지 개발

국내 연구진이 구겨지거나 접어도 원래 형태로 회복이 되고, 효율이 높은 새로운 구조의 플렉서블 태양전지 원천 기술을 개발했다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀과 연세대학교 기계공학과 김대은 교수팀은 태양전지를 접고 구기더라도 원래 형태로 돌아갈 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 반도체 '페로브스카이트 태양전지'를 개발했다고 1일 밝혔다.

연구팀은 형상 기억 고분자 기판위에 기존의 잘 깨지는 투명전도성 전극(ITO, Indium Tin Oxide)과 금속 후면전극 대신에 고분자 투명전극(PEDOT:PSS)과 액체 금속을 사용해 이 기술을 구현했다. ITO는 주석 산화물 (tin oxide)에 인듐이 도핑 된 금속 산화물로서 투명하면서도 금속의 전기 전도도에 준하는 높은 전도성을 가지기 때문에 태양전지, 디스플레이 분야에서 대표적으로 사용 되는 소재다. 또한 PEDOT:PSS는 ITO를 대체할 수 있는 투명 전극 소재로 꼽히며 ITO보다 낮은 가격과 용액공정을 할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

최근 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 향후 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 정도의 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 평가받고 있다. 연구 시작 3년 만에 최고 효율 20.1 %까지 기록했고, 용액 및 저온 공정에 기반을 두고 있기 때문에 특히 플렉서블 태양전지로 사용되기에 최적화 된 물질이다.

(a) 형상 기억 고분자 기판 및 투명전극을 만드는 과정. (b) 만들어진 형상 기억 고분자 기판의 실제 사진 (c) 형상 기억 고분자 기판, 투명전극의 파장에 따른 광투과도

플렉서블 태양전지는 플라스틱 기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정을 필요로 하는데, 유기 반도체를 페로브스카이트와 전극 사이에 중간층으로 사용하는 태양전지 구조에서는 모든 공정이 150도 이하에서도 제작할 수 있어 플렉서블 태양전지에 최적화돼 있다고 볼 수 있다.

그러나 웨어러블과 플렉서블 소자의 전력 공급체로 적용하기 위해서는 기존의 플라스틱 기판을 대체할 수 있는 새로운 투명전극 기판이 필요했다. 일반적으로 사용되는 플라스틱 필름은 많이 구부리거나 접으면 소성 변형이 쉽게 일어나서 원래 형태로 회복이 되지 않고 투명전도성 전극 역시 잘 깨지기 때문에 웨어러블과 플렉서블 소자에 적용하기엔 적합하지 않은 기판이다.

공동연구팀은 이러한 플라스틱 필름 대신 형상 기억 고분자(NOA 63)를 평평한 기판으로 만들어서 120도 이하의 저온 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 구성했다. 태양전지를 접기 전 광전변환 효율이 최고 10.83 %, 접고 난 후 10.4 %였으며 1천번 벤딩 테스트 후에도 9.68 %로 페로브스카이트 태양전지 중에서는 가장 높은 효율과 기계적 안정성을 나타냈다. 또한 완전히 구겨지더라도 기판의 형상 기억 특성 때문에 최초의 형태와 거의 유사한 모양으로 회복 됐으며 원래 형태로 복구 된 후에는 6.1% 효율을 기록했다.

그리고 수 마이크로 미터의 크기를 갖는 미세한 침이 재료의 표면에 수직인 방향으로 일정한 힘으로 누르면서 재료가 침에 의해 변형되는 정도를 파악해 다양한 기계적 특성을 알 수 있는 방법인 나노 인덴테이션 분석법과 전자현미경을 이용해 태양전지에 사용 된 재료의 기계적 특성을 심도 분석하고 수학적 시뮬레이션을 통해 태양전지를 접더라도 모든 재료에 손상 없음을 세계 최초로 증명했다.

따라서 페로브스카이트 박막은 매우 유연하면서도 높은 광전효율을 낼 수 있는 광 흡수 물질이며 이는 앞으로 플렉서블 태양전지 분야에서 각광을 받을 수 있을 것이라 기대가 된다.