성균관대학교(총장 유지범) 성균나노과학기술원 신성식 교수 연구팀은 한국화학연구원(전남중 박사), 카이스트(서장원 교수)와의 공동연구를 통해 세계 최초로 900cm2 크기의 가볍고 잘 휘어지는 대면적 페로브스카이트 태양전지를 개발했다고 7일 밝혔다.
태양전지를 건물, 자동차, 항공기, 착용형(웨어러블) 기기 등에 활용하기 위해서는 가볍고, 유연한 형태의 태양전지가 필요하다. 성균관대 신성식 교수 공동연구진은 가볍고 잘 휘어지는 고분자 기판을 사용하여 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 유연한 태양전지의 경우 딱딱한 기판 위에서 제작된 태양전지와 비교해 상대적으로 효율과 안정성에 대한 연구가 부족했고 상용화를 위한 태양전지의 크기 확대에도 한계가 있었다.
연구진은 유연한 기판 위에 코팅되는 산화물 전자수송층이 션트(Shunt) 경로를 유발하고, 저항을 증가시켜 유연 태양전지의 효율, 안정성, 대면적화에 크게 영향을 미친다는 사실을 최초로 규명하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 전자 전달 특성은 향상시키면서 션트 경로는 최소화할 수 있는 새로운 형태의 전자수송층을 개발하는 데 성공했다. 이를 통해 유연 태양전지의 효율과 안정성을 향상시킬 수 있었고, 세계 최초로 상용화 가능 수준 크기인 900cm2의 휘어지는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 특히, 개발된 900cm2 크기의 유연 태양전지 광·전 변환 효율은 16.4%로 ‘세계 최고 수준의 효율’이라고 연구팀은 밝혔다.
연구책임자인 신성식 교수는 “공개한 900cm2 크기의 가볍고, 휘어지는 페로브스카이트 태양전지 기술은 기존 일본의 도시바가 발표한 703cm2보다 크며, 롤투롤 공정을 통해 신문처럼 생산할 수 있어서 페로브스카이트 태양전지의 대량 생산화를 앞당길 수 있는 중요한 초석이 될 수 있을 것이다. 특히 지금까지 장비 문제로 대면적 연구에 제약이 있었지만, 현재 연구실 내에 대면적 관련 모든 인프라를 갖춰 심화하고 있는 일본, 중국과의 경쟁에서 원천기술 확보를 위한 연구에 박차를 가하고 있다”고 말했다.
제1저자인 이다슬 박사는 “대면적 유연 페로브스카이트 태양전지는 수백마이크로미터에 달하는 실리콘 태양전지에 비해 얇고 가볍고, 곡면에서 부착할 수 있어, 향후 자동차, 드론, 휴대용 전자기기에 등 광범위하게 활용될 수 있을 것”이라고 말했다.
이번 연구는 성균관대 신성식 교수 연구팀(이다슬 박사)의 주도 아래, 한국화학연구원의 전남중 박사와 서유현 박사, 카이스트의 서장원 교수와 김택수 교수, 고려대학교의 강윤묵 교수가 공동으로 참여했다. 이번 연구는 산업통상자원부의 신재생 에너지 핵심기술개발사업과 교육부와 한국연구재단이 주관하는 3단계 산학연협력 선도대학 육성사업(LINC 3.0)의 지원을 받아 수행됐다. 연구팀의 이번 연구성과는 에너지 분야 저명한 국제학술지인 Joule(IF: 39.8)지에 최근 게재되었다.