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그래핀을 방패로, 고성능 페로브스카이트 태양전지 개발

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UNIST 에너지 및 화학공학부 박혜성 교수팀
고성능 '금속-그래핀 하이브리드 유연 투명전극' 개발
그래핀이 원자 이동 막아 전극 및 광활성층 분해 억제
Nano Letters 논문 게재


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[연구그림] 금속 기반 하이브리드 투명전극의 투명성과 유연성

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【파이낸셜뉴스 울산=최수상 기자】 UNIST 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 '페로브스카이트 태양전지'의 안정성과 유연성을 크게 높일 전극을 개발했다. 차세대 유연 광전 소자 개발에 큰 도움이 될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 에너지 및 화학공학부의 박혜성 교수팀이 '그래핀 중간층을 삽입한 고성능 금속 기반 유연 투명전극'을 개발했다고 28일 밝혔다.

불침투성(Impermeability)이 뛰어난 그래핀을 이용해 금속전극 기반 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 문제로 지목되던 '금속-유도 분해 현상'을 억제해 안정성을 크게 끌어 올렸다.

또 그래핀의 우수한 전기 전도도 및 기계적 내구성을 이용해 페로브스카이트 태양전지의 효율과 기계적 안정성도 큰 폭으로 높였다.

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[연구그림] 전극을 적용한 페로브스카이트 태양전지 구조와 그 성능

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박혜성 교수팀은 이를 위해 그래핀 층을 삽입하는 방법을 썼다. 그래핀은 전기 전도도가 높아 전자를 잘 통과시키지만, 원자가 이동하지 못하게 막는 '불침투성'이 있다. 그래핀을 금속 투명전극과 페로브스카이트 광활성층 사이에 중간층으로 삽입하면, 전자(전하)는 잘 흐르지만 할로겐 원소는 이동하지 못하게 되는 것이다. 게다가 그래핀 자체가 투명하고 유연해 광전소자용 전극으로 활용하기도 적절하다.
연구팀은 그래핀 중간층이 삽입된 '금속-그래핀 하이브리드 유연 투명전극'을 페로브스카이트 태양전지에 적용했다. 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 16.4%의 광전변환효율을 기록했고, 1000시간이 지나도 초기 효율의 97.5% 이상을 유지했다. 또 5000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 94%를 유지하는 등 우수한 기계적 내구성을 보여 차세대 웨어러블 소자에 응용 가능함을 보였다.
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[연구진사진] 제1저자인 정규정 연구원(좌측)과 구동환 연구원(우측) /사진=fnDB

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제1저자인 정규정 UNIST 에너지공학과 석·박통합과정 연구원은 "그래핀 중간층을 삽입해 할로겐 원소와 금속 원소의 이동을 효과적으로 억제했다"며 "그래핀의 다양한 특성을 활용해 고유연성과 고안정성을 갖춘 고성능 금속 투명전극 기반 페로브스카이트 태양전지를 제작할 수 있었다"고 설명했다.

박혜성 교수는 "이번에 개발한 '그래핀 중간층 삽입' 방법은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성 등을 크게 향상시켰다"며 "향후 태양전지뿐 아니라 LED, 스마트 센서 등 페로브스카이트 기반의 다양한 차세 대 유연 광전 소자 개발에도 크게 도움이 될 것이다"라고 기대했다.

이번 연구는 국제학술지 '나노 레터스(Nano Letters)' 지난 13일자로 온라인 출판됐다.

ulsan@fnnews.com 최수상 기자

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