친환경 투명유연전극 고분자 기판 개발을 통한 폴더블 페로브스카이트 태양전지 구현

제작된 복합체를 활용한 유연 페로브스카이트 태양전지의 구조와 디바이스 특성. (자료제공: 성균관대학교)

성균관대학교(총장 유지범) SAINT 전일 교수 연구팀이 서울대학교 최만수 교수 연구팀과 공동으로 용액 공정 탄소나노튜브 소재가 적용된 친환경의 투명유연전극 고분자 기판을 개발하고 이를 이용해 폴더블 페로브스카이트 태양전지를 구현했다고 지난달 8일 밝혔다.

휴대용 에너지 기술의 수요는 최근 스마트 디바이스의 발전 방향에 상응하여 개발되어야 한다. 예를 들면 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 다양한 폼팩터 또는 바이오(건강), 드론과 관련된 다양한 애플리케이션들이 이에 해당한다. 따라서 에너지 디바이스는 높은 에너지의 생산과 저장 성능이라는 본질적인 성능 요건뿐만 아니라 이러한 변화에 대응할 수 있는 기계적인 유연성 및 대면적 생산에 대한 호환성 등의 요건들을 추가로 갖춰야 한다.

페로브스카이트 태양전지는 유/무기 혼합 페로브스카이트 결정을 광 흡수체로 활용하는 차세대 태양전지로 기존 실리콘 태양전지가 가지지 못하는 유연성 특성을 가진다. 그래서 다양한 애플리케이션을 가지는 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 유연 디바이스 구현을 위해서는 투명 전극 소재와 이를 포함하는 유연 기판이 가장 중요하다.

기존의 널리 사용되고 있는 전극 소재인 인듐주석산화물(indium tin oxide, 이하 ITO)는 광학적·전기적 특성이 우수하나 기계적 유연성이 떨어진다. 또한 폴리머 기반전극 소재인 PH1000(PEDOT:PSS)는 화학적인 안정성이 떨어져서 아직 실생활의 적용에는 적합하지 않다. 또한 태양광 기술의 대면적화(태양광 모듈/패널 구현)을 위해서는 전극층을 비롯한 특정 층들을 레이저로 가르는 공정이 필수적이며 이 과정에서 디바이스가 열손상을 입을 수 있다. 유연 디바이스의 경우 열적 안정성이 높지 않은 플라스틱 소재를 주로 사용한다. 이러한 점에서 유연 디바이스의 전극/기판 측의　선택에　있어서 뛰어난 광/전기적 특성, 높은 기계적 유연성, 열적 안정성의 요건들이 중요하게 고려돼야 한다.

탄소나노튜브-패릴린C “전극/기판” 복합체 개발일반적으로 탄소나노튜브를 전극층으로 사용하는 디바이스의 경우, 디바이스의 제작은 탄소나노튜브 전극층을 형성하고 그 위에 이뤄지게 된다. 용액 공정으로 도포되는 탄소나노튜브는 그 형태를 유지하기 위한 유기 바인더(binder)가 존재하는데 이 바인더 물질이 탄소나노튜브 층의 표면으로 몰리려는 성향이 있다. 이 바인더는 전기적으로 절연체의 특징을 가지기 때문에 태양전지를 비롯한 디바이스의 입장에서는 성능을 낮추는 요인 중의 하나이기도 하다.

연구팀은 용액 공정이 가능한 이중벽탄소나노튜브(double-walled carbon nanotubes, 이하 DWNT)를 전극 소재로서 폴리카보네이트 층에 도포하고, 그 위에 실제 기판으로 사용될 패릴린-C 폴리머를 저온 CVD로 형성했다. 이 상태에서 DWNT의 바인더는 DWNT의 표면에 해당되는 DWNT와 패릴린-C의 계면에 몰리게 된다. 그 다음 유기 용액 공정을 통해 폴리카보네이트를 선택적으로 제거하면, DWNT가 패럴린-C에 도포된 형태의 투명전극이 만들어진다. 해당 투명전극은 태양전지가 형성될 DWNT면에 바인더가 거의 없는 상태가 되어 태양전지를 제작했을 때 전기적인 손실을 획기적으로 감소시킨 것이 이 전극/기판 복합체의 핵심이다. 개발된 복합체는 다음과 같은 특징이 있다.

연구팀은 제작된 복합체를 활용한 유연 페로브스카이트 태양전지가 18.11%의 효율을 나타낸다고 밝혔다. 이는 기존 ITO 소재를 활용하는 태양전지 효율인 18.89%에 근접한 효율이며, 지금까지 보고된 탄소나노튜브 투명 전극 기반 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 성능이다.

유연 태양전지의 기계적 유연성 테스트(굽힘 테스트) 결과 ITO 기반 디바이스의 경우 해당 조건에서 몇 차례의 굽힘 사이클만으로도 효율(PCE, power conversion efficiency)이 급격하게 떨어진다. 이는 ITO 전극 소재가 낮은 기계적인 유연성을 가졌기 때문이다. 반면 DWNT와 폴리머 전극(PH1000) 디바이스는 10,000회의 사이클에도 안정적으로 성능을 유지하여 전극 소재로서 우수한 기계적 유연성 특성을 보였다.

마지막으로 연구팀은 태양전지 기술의 대면적화 공정 적합성을 비교하기 위하여 레이저 공정에 대한 취약성 테스트를 수행하였다. 아래 이미지는 전도성 원자 힘 현미경(c-AFM) 데이터로, 표면의 전기 전도성 분포를 파악하는 데 이용된다. 레이저 공정 후 두 가지 전극(DWNT, 폴리머 PH1000) 표면에 대한 c-AFM 데이터를 통해 DWNT/패릴린 복합체의 경우 레이저 공정 후에도 밝은 영역들이 유지되는 것을 보였으며 이는 DWNT 전극이 레이저 공정 후에도 전극으로서의 기능을 잘 유지하고 있음을 의미한다. 반면 폴리머 전극인 PH1000의 경우 밝은 영역들이 존재하지 않는 것을 보여, PH1000 전극은 기계적인 유연성을 가지고 있으나 열적 안정성이 떨어져서 대면적화에는 적합하지 않음을 의미한다. 연구팀은 “이 연구에서 개발된 DWNT/패릴린 복합체가 유연 태양전지의 유연성과 대면적화 측면에서의 문제점들을 해결하고 개발을 가속화할 수 있을 것으로 기대한다”고 전했다.