[과학을 읽다]입고 다니는 태양전지 나온다

국내 연구팀, 형상기억 고분자 태양전지 기술 개발

▲웨어러블 태양전지가 개발돼 관심을 모으고 있다.[사진제공=KIST]

[아시아경제 정종오 기자] 태양전지를 입고 다니는 시대가 성큼 다가왔습니다. 스마트폰 충전은 물론 의료용과 아웃도어 제품인 텐트에도 적용 가능합니다. 이번에 국내 연구팀이 개발한 기술은 형상 기억 고분자 기판을 활용했습니다. 접어도 깨지지 않고 구겨져도 원래 형태로 회복돼 웨어러블 소자에 제격입니다.

웨어러블, 플렉서블 기기에 적용할 태양전지는 기계적 유연성과 높은 광전 변환 효율이 동시에 요구됩니다. 형상 기억 고분자 기판위에 기존의 잘 깨지는 투명전도성 전극(ITO, Indium Tin Oxide)과 금속 후면전극 대신에 고분자 투명전극(PEDOT:PSS)과 액체 금속을 사용했습니다. 태양전지를 접고 구기더라도 원래 형태로 돌아갈 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 페로브스카이트 태양전지를 개발한 것이죠.

페로브스카이트는 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합돼 있는 물질입니다. 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체이죠. 기존의 금속산화물로 이뤄진 페로브스카이트 결정 구조와 유사한 구조를 갖습니다.

유·무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 앞으로 실리콘 태양전지와 경쟁을 할 수 있을 정도의 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 평가받고 있습니다. 연구 시작 3년 만에 최고 효율 20.1% 까지 기록했죠. 용액과 저온 공정에 기반을 두고 있기 때문에 특히 플렉서블 태양전지로 사용되기에 최적화 된 물질입니다.

플렉서블 태양전지는 플라스틱 기판을 사용하기 때문에 150도 이하의 저온 공정을 필요로 합니다. 유기 반도체를 페로브스카이트와 전극 사이에 중간층으로 사용하는 태양전지 구조에서는 모든 공정이 150도 이하에서도 제작이 가능하기 때문에 플렉서블 태양전지에 최적화돼 있다고 볼 수 있습니다.

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

국내 연구팀은 이런 플라스틱 필름 대신 형상 기억 고분자(NOA 63)를 평평한 기판으로 만들어 120도 이하의 저온 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 구성했습니다. 태양전지를 접기 전 광전변환 효율이 최고 10.83 %, 접고 난 후 10.4 %였습니다. 1000번 벤딩 테스트 후에도 9.68 %로 ITO가 없는 페로브스카이트 태양전지 중에서는 가장 높은 효율과 기계적 안정성을 나타냈습니다. 또 완전히 구겨지더라도 기판의 형상 기억 특성 때문에 최초의 형태와 거의 유사한 모양으로 회복됐고 원래 형태로 복구 된 후에는 6.1% 효율을 기록했습니다.

이렇게 개발된 제품에 대해 나노 인덴테이션 분석법과 전자현미경을 이용해 태양전지에 사용 된 재료의 기계적 특성을 심도 분석하고 수학적 시뮬레이션을 통해 태양전지를 접더라도 모든 재료에 손상 없음을 증명했습니다.

한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀과 연세대학교 기계공학과 김대은 교수팀이 이번 연구를 수행했습니다. 연구책임자인 고민재 박사는 "개발한 태양전지는 유연성이 매우 뛰어나고 용액과 저온공정이 가능하다"며 "효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 전자 기기의 핵심적 광에너지 자원으로 활용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했습니다.

상용화 제품이 나오기 위해서는 앞으로 약 5년 동안의 시간이 더 필요할 것으로 보입니다. 고 박사는 "(상용화됐을 때)보호코팅을 하기 때문에 입고 다니더라도 인체에는 부작용이 없다"며 "스마트 충전은 물론 의료용, 아웃도어용으로 응용 제품이 나올 수 있다"고 설명했습니다. 연구결과는 에너지 분야의 전문학술지인 'Advanced Energy Materials' 11월 18일자에 표지논문(Mechanically Recoverable and Highly Efficient Perovskite Solar Cells: Investigation of Intrinsic Flexibility of Organic-Inorganic Perovskite)으로 실렸습니다.

교신저자는 고민재 박사와 김대은 교수이고 공동 제1저자는 한국과학기술연구원 박민우 박사, 연세대학교 기계공학과 김해진 박사과정생입니다.