반복되는 변형에도 스스로 복구되는 자가치유형 태양전지 개발
- - 새로운 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 시스템 도입 -
□ 수천 번 휘어져도 성능이 저하되지 않는 새로운 페로브스카이트 태양전지*가 국내 연구진의 공동연구로 개발됐다.
* 페로브스카이트 태양전지 : 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조(구성 원자에 따라 부도체, 반도체, 도체 등 다양한 특성을 보이는 산화물)를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지
□ 한국연구재단(이사장 이광복)은 한태희 교수(한양대학교)와 전일 교수(성균관대학교) 공동연구팀이 새로운 페로브스카이트-고분자 혼합 가교 시스템 기술을 확보하고, 기계적 변형에도 성능이 저하되지 않으며 스스로 성능을 복구하는‘자가치유형(self healing) 태양전지’를 개발했다고 밝혔다.
□ 광물의 일종인 페로브스카이트는 전기전도성이 우수하고 빛을 전기로 전환하는 효율이 높아 차세대 태양전지 개발의 핵심재료로 꼽히지만, 유기물에 비해 유연성과 신축성이 떨어지는 단점이 있다.
○ 특히 차세대 전자기기는 접히는 디스플레이, 사람이 직접 착용하거나 몸에 부착하는 바이오센서 등 높은 신축성과 유연성이 요구되는 형태로 발전하고 있어,
○ 페로브스카이트의 부족한 기계적 안정성을 보완할 수 있는 유연하고 신축성있는 소재 및 소자 개발이 필요한 실정이다.
□ 이에 연구팀은 페로브스카이트 광활성층*의 유연성을 높이고, 반복되는 휘어짐에도 스스로 회복하는 특수 기능기를 포함한 블록공중합체**를 합성하여 이를 페로브스카이트 박막 결정 성장에 활용하였다.
○ 또한 블록공중합체에 포함된 고리화합물은 고분자 공중합체끼리의 수소결합 세기를 제어하도록 설계하였다.
* 광활성층 : 태양전지에서 태양 빛을 흡수해 전자와 정공을 분리하고 전력을 만드는 핵심소재층
** 블록공중합체 : 2개 이상의 단량체가 사슬형태로 길게 반복되는 고분자
□ 그 결과 화학적 결합과 물리적 결합이 섞여 있는 새로운 형태의‘페로브스카이트-고분자’ 혼합 가교 네트워크가 형성돼 박막의 기계적 변형에 대한 안정성이 기존 대비 5배 이상 향상되었다.
○ 새로운 태양전지는 광전변환 효율과 수명이 높아졌고 수천 번의 강한 휘어짐 실험에도 성능을 유지했으며, 나아가 수소결합 가역성*에 의해 스스로 성능이 복구되는 특성을 구현하였다.
* 가역성 : 물체의 운동에 변화가 일어났을 때 일어난 행위를 거꾸로, 즉 원상태로 돌릴 수 있는 능력
□ 연구팀은 “새로운 고분자 기반의 페로브스카이트 결정 성장 방법은 인체친화적 차세대 전자기기에 활용 가능한 고성능, 고안정성 태양전지 개발의 난제 해결에 기여할 수 있을 것”이라며 “앞으로 실제 전자기기에 적용될 수 있도록 대면적화, 대량생산 등의 후속연구가 필요하다”라고 연구의 의의를 밝혔다.
□ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 신진연구사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머티리얼스(Advanced Functional Materials)’에 8월 4일 온라인 게재되었다.
