오래 작동하는 유연한 페로브스카이트 태양전지용 전극 개발

- 저온공정 무(無)전사 그래핀 전극 개발로 안전성과 경제성 기대

한국연구재단(이사장 노정혜)은 윤순길 교수(충남대학교) 연구팀이 페로브스카이트 태양전지를 저온(100oC)에서 제작할 수 있는 무(無)전사 그래핀 전극을 개발했다고 지난달 5일 밝혔다. 고온(약 500 oC 이상)에서 만들어지는 기존 페로브스카이트 태양전지의 전극 대비 안전성과 경제성을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
  통상 그래핀은 원료를 고온(약 500oC~900oC)에서 가스 상태로 구리 같은 금속 박판 위에 흡착시키는 방식으로 만들어지는 데 흡착 후 박판을 제거하고 다른 기판으로 옮기는 전사공정이 필요하다. 전사과정에서 그래핀이 기판에 완전히 붙지 않거나 표면에 주름이 생기거나 내부에 금이 갈 경우 전극 특성이 현저히 저하된다.
  이에 연구팀은 100oC 이하에서 탄소를 타이타늄(10nm) 버퍼층에 흡착하는 방식으로 대면적(4인치 및 8인치 웨이퍼 스케일) 그래핀을 성장하는 다른 방식을 이용했다. 이 방식의 경우 타이타늄 버퍼층이 그래핀의 투명도나 전기적 특성에 영향을 미치지 않아 별도의 기판으로 옮기는 전사과정을 생략할 수 있어 물성 저하를 막을 수 있다.
  실제 이렇게 만들어진 페로브스카이트 태양전지는 전사공정을 통한 그래핀 태양전지 대비 효율이 14.2%, 투명도는 약 26%로 향상되었다. 500시간 사용시 전사 공정된 그래핀 태양전지는 초기 효율보다 약 20% 감소를 보였으나 무전사 그래핀 전극은 약 13%의 감소에 그쳤고 유연성 측면에서 1,000 사이클에서 전사 공정된 그래핀 태양전지보다 7% 향상된 안정성을 보였다.
  뿐만 아니라 연구팀은 그래핀을 페로브스카이트 박막으로 제조할 때 용액공정이 아닌 화학증착법을 이용하여 약 100oC에서 제작함으로써 공정의 복잡함을 크게 해소했다. 기존 용액공정에서 합성이 진행될 경우 외부 노출시 수분에 민감하여 세심한 관리가 필요하며 장기 안정성 측면에서 취약하다. 때문에 태양전지로 제조할 경우 외부 공기를 차단한 글로브 박스에서 증착하여 바로 소자를 제작해야 하는 어려움이 있었다.
  과학기술정보통신부‧한국연구재단 기초연구지원사업(중견연구자지원사업) 등의 지원으로 수행된 이 연구의 결과는 에너지 분야 국제학술지 ´나노 에너지(Nano Energy)´에 8월 26일 게재되었다.
  윤순길 교수는 “무전사, 저온공정에서 대면적으로 성장한 그래핀을 페로브스카이트 태양전지에 전극으로 활용하여 태양전지의 유연성을 확보하고 또한 장기안정성을 구현할 수 있어 실리콘 태양전지를 대체하고자 하는 페로브스카이트 태양전지의 한계성을 극복한 것”이라고 설명했다.

[연구 결과 개요]

1. 연구배경

그래핀은 다양한 특성들, 즉 높은 전도도, 높은 투명도, 높은 유연성, 높은 기계적 강도를 가지고 있어 전자산업에 다양하게 응용할 수 있다. 그러나 대면적 그래핀은 반드시 전사공정을 통해야 하며 이에 따른 모든 전기적 특성의 저하를 초래하게 된다. 따라서 그래핀의 응용 및 상용화를 위해서는 그래핀을 전사공정 없이 저온에서 성장시킬 수 있는 신개념의 다양한 기판 위에서 대면적으로 성장 시킬 수 있는 직접 성장기술 개발이 필수 불가결하다. 또 현재 에너지 하베스팅에서 페로브스카이트 태양전지가 높은 효율을 나타냄에 따라 상용화되고 있는 값비싼 실리콘 태양전지를 대체하고자하는 연구가 본격적으로 진행되고 있다.
  현재 많이 이뤄지는 효율향상 연구 이외에도 IoT 등에 활용하고자 할 때 단점으로 부각되는 장기 안정성과 소자의 유연성 및 투명도에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구는 페로브스카이트의 장기안정성을 확보하기 위하여 증착공정을 용액공정이 아닌 진공증착법인 화학증착법을 이용하여 장기 안정성을 확보하고자 하였다. 대면적 그래핀을 전사공정 없이 저온에서 성장하고 이를 페로브스카이트 태양전지의 전극으로 활용하면 유연성 및 장기 안정성을 확보할 수 있다.

[그림 1] 페로브스카이트 태양전지에 무 전사 그래핀과 전사된 그래핀의 특성평가 비교 
(a) 무전사 그래핀과 전사된 그래핀으로 전극으로 사용시 전류 밀도 비교
(b) 투명도 비교와 유연성을 보이는 이미지
(c) Quantum efficiency 와 Integrated 전류 밀도 비교
(d) 장기 안정성을 보이는 효율변화.

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<본 사이트에는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2019년 10월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 PDF를 다운로드 하실 수 있습니다.>