액체금속 전극 기반 페로브스카이트 태양전지 개발

(왼쪽) 액체금속 전극을 적용한 페로브스카이트 태양전지의 구조 모식도. (가운데) 갈륨 산화막의 두가지 기능에 대한 모식도. (오른쪽) 액체금속 전극을 적용해 제작된 유연한 태양전지 디바이스 사진. (자료제공: 서울과기대)

서울과학기술대학교(총장 김동환)는 화공생명공학과 구형준 교수 연구팀(제1저자 김지혜 박사)이 공융 갈륨-인듐(이하 EGaIn) 합금 액체금속을 페로브스카이트 태양전지의 전극으로 활용하는 연구를 통해 액체금속 전극의 새로운 활용 가능성을 제시했다고 지난달 4일 밝혔다.
상온에서 액체 상태를 갖는 액체금속은 구부리거나 늘리는 등의 물리적 변형에도 높은 전기전도도를 유지할 수 있다. 이 때문에, 유연 페로브스카이트 태양전지의 전극으로 액체금속을 활용하고자 하는 사례도 있었다. 하지만 액체금속과 태양전지의 계면에 대한 심도 있는 연구나 논의가 실시된 적이 없었다.
구 교수 연구팀은 갈륨계 액체금속을 페로브스카이트 태양전지의 후면전극으로 이용하고, 액체금속의 계면 특성을 체계적으로 분석했다. 이를 통해, 액체금속 표면에 자발적으로 형성되는 갈륨 산화막이 태양전지 층과 액체금속 전극 사이 계면에 위치하면서 두 가지의 유익한 기능을 제공할 수 있음을 처음으로 밝혔다.
먼저, 계면에 형성된 액체금속의 산화막은 전극으로부터 페로브스카이트 층으로의 금속 확산을 억제하는 장벽 역할을 하여, 금속 침투에 의한 태양전지 효율 손실을 최소화하고 소자 안정성을 향상시킨다. 또한 액체금속 산화막은 전자의 이동을 방해하는 쇼트키 장벽을 제거하고 계면 저항을 낮추어, 페로브스카이트 층에서 생성된 광전자의 이동을 촉진시킨다.
연구진은 유연 투명전극과 액체금속 후면전극을 기반으로 유연 페로브스카이트 태양전지를 제조하고, 반복적인 굽힘 테스트에서도 태양전지가 안정적인 성능을 유지함을 보였다. 또한 사용된 액체금속 전극은 간단한 산처리 만으로 손쉽게 회수가 가능하며, 이러한 성질은 태양전지 재활용시 매우 유용하게 활용될 수 있음을 제시했다.
이번 연구 결과는 액체금속을 태양전지의 전극으로 활용 시 고려해야 할 중요한 정보를 제공하며, 유연하고 지속가능한 태양전지 개발에 기여할 것으로 기대된다.
이번 연구는 과학기술정통부와 교육부, 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 지난해 12월 6일 재료과학 부문 저널 Advanced Functional Materials에 ‘Liquid Metal-Based Perovskite Solar Cells: In Situ Formed Gallium Oxide Interlayer Improves Stability and Efficiency’라는 제목으로 온라인 게재됐다.