접을 수 있는 페로브스카이트 태양전지-10,000회 반복접은 후 성능 유지, 차세대 휴대용 에너지원 활용 기대

접을 수 있는 페로브스카이트 태양전지-10,000회 반복접은 후 성능 유지, 차세대 휴대용 에너지원 활용 기대

 

등록일 2021.02.15.

 

 

접을 수 있는 페로브스카이트 태양전지
10,000회 반복접은 후 성능 유지, 차세대 휴대용 에너지원 활용 기대

□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 전일 교수(부산대학교), 이필립 박사(KIST) 연구진이 한일공동연구를 통해 탄소나노튜브-폴리이미드로 구성된 투명전도성 필름을 개발하고 이를 적용한 접을 수 있는 태양전지를 제안했다고 밝혔다.

□ 페로브스카이트 태양전지*는 광전변환효율이 높고 유연화할 수 있어휴대용 전력원으로 주목받는다.
○ 하지만 접거나 구부릴 수 있는 휴대용 디바이스의 전원으로 활용하려면 하부 투명전극의 유연성을 높여야 했다.
※ 페로브스카이트 태양전지 : 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지

□ 한편 탄소나노튜브*는 유연성과 투명성을 동시에 지닌 좋은 전극 후보 물질이지만, 내부의 빈 공간들과 거친 표면 때문에 하부 전극으로 활용하는 데 어려움이 있었다.
※ 탄소나노튜브 : 육각형의 탄소원자 격자로 구성된 그래핀이 수 나노미터의 원통 형태로 말려있는 나노재료. 우수한 물리적 특성으로 활용성이 높다.

□ 이에 연구팀은 그물 형태의 탄소나노튜브의 빈틈과 거친 표면을 폴리이미드*로 보완한 투명전도체를 개발하였다. 폴리이미드가 빈틈을 매우고 거친 표면을 매끄럽게 유도해 유연하고 투명한 탄소나노튜브의 장점을 살리되 단점은 보완했다.
※ 폴리이미드 : 이미드 고리를 가지는 고분자 재료, 화학적 안정성, 유연성, 내열성, 내화학성을 지닌다. 전자 디바이스에 널리 활용된다.

□ 실제 이를 적용해 제작한 접을 수 있는 폴더블 페로브스카이트 태양전지는 기존에 보고된 탄소나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 광전변환효율(15.2%)를 나타냈다.
○ 접음 조건(0.5 mm 굽힘 반경*)에서 10,000회 반복 사이클 후에도 성능이 처음과 동일하게 유지되는 높은 유연성을 보였다.
※ 굽힘 반경: 필름을 구부릴 때 구부리는 지점에서 형성되는 곡률의 반경

□ 한편 전기전도도 향상을 위해 첨가한 몰리브데넘삼산화물(MoO3)은 산소가 차단된 고온 조건에서 그 효과가 극대화된다. 탄소 나노튜브를 감싸는 본 전도체 필름의 구조와 열 안정성 덕분에 추가적인 작업 없이 전극의 전기전도도 향상 효과가 극대화되었다.

□ 탄소나노튜브를 유연 태양전지 등 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 고 유연성 전자소자의 전극으로 효과적으로 활용할 수 있는 토대가 될 것으로 기대된다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터사업, 기후변화대응기술개발사업 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행된 이번 연구의 결과는 국제학술지‘어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’에 2월 8일자로 게재되었다.

주요내용 설명

<작 성 : 펜실베니아 주립대학교, 윤정진 박사>

논문명
Foldable Perovskite Solar Cells Using Carbon Nanotube-Embedded Ultrathin Polyimide Conductor
저널명
Advanced Science
키워드
foldable electronics (폴더블 전자소자), flexible solar cell (유연 태양전지), flexible transparent conductor (유연 투명전도체), perovskite solar cell (페로브스카이트 태양전지), carbon nanotube (탄소 나노튜브)
DOI
10.1002/advs.202004092
저 자
전일 교수 (교신저자/부산대학교), 이필립 박사 (교신저자/한국과학기술연구원),
마루야마 시게오 (Shigeo Maruyama) 교수 (교신저자/도쿄대학교), 윤정진 박사 (제1저자/펜실베니아주립대학교),

1. 연구의 필요성
○ 휴대용 디바이스의 기술흐름은 스마트폰을 넘어 다양한 스마트 디바이스로 확장 되고 있다. 사물인터넷(internet-of-things, IoT)으로 표현되는 이 기술은 다양한 폼 팩터(form factor)를 갖는 디바이스 기술의 수요를 불러일으키고 있다. 최근 등장한 폴더블 스마트폰과 롤러블 디스플레이가 대표적인 예이다. 이처럼 정보 디바이스 기술이 다양한 폼 팩터를 가짐에 따라 이에 대응되는 에너지 기술 수요 또한 증대되고 있다.
○ 페로브스카이트 태양전지는 ‘유무기 혼합 페로브스카이트 소재’를 광 흡수체로 사용하는 태양전지이며, 최근 광전변환효율이 25.2%에 도달 하였다. 이는 상용화된 실리콘 태양전지의 수준에 해당한다. 또한, 페로브스카이트 태양전지는 유연화가 가능하다. 이는 휴대용 전력원 으로서 상기 IoT 기술에 대한 에너지 기술 수요를 충족할 잠재성을 가진다.
○ 유연 태양전지의 하부 투명전극으로 사용되어 온 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO)은 소재 자체의 취성(깨짐성)으로 인하여 디바이스의 유연성을 제한하였다. 이를 대체하기 위한 대안 투명전극 연구가 이루어져 왔으나 유연성을 충족하면서 고효율 페로브스카이트 태양전지에 호환되는 대안 투명전극을 찾는 것이 숙제였다.
2. 연구내용
○ 이 연구에서는 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWNT)가 박혀있는 형태의 폴리이미드(polyimide, PI)로 구성된 투명 전도체(SWNT-PI) 필름을 개발하여 접을 수 있는(폴더블) 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다.
○ 본 필름의 구조적인 특징 덕분에 페로브스카이트 태양전지를 아주 높은 재현성으로 형성할 수 있다. SWNT-PI의 표면은 아주 부드러운 표면(제곱평균제곱근(root-mean-square, rms) 거칠기 0.456 nm)을 가져 이 위에 디바이스를 재현성 있게 형성할 수 있다. 기존의 방법대로 외부로 노출된 SWNT 위에 디바이스를 제작하는 경우 거친 SWNT 표면 때문에 디바이스의 구성층들을 균일하게 형성하는 것이 어려웠다.
○ 본 복합체의 완성을 위한 열처리 과정에서 MoO3를 이용한 SWNT의 전기적 특성 조절 효과(도핑)가 극대화된다. 강력한 도핑 효과는 섭씨 300도 이상의 산소가 차단된 환경에서 나타난다. PI 필름이 SWNT와 MoO3을 덮고 있기 때문에, 추가적인 작업이 필요 없이 SWNT가 대기의 산소로부터 차단되며, PI의 높은 열적 내구성 덕분에 섭씨 300도 온도에서 SWNT의 전기 전도도를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 기존의 유연 기판 (PET, PEN)으로는 낮은 열 내구성으로 인해 도핑 효과가 제한되었다.
○ 이를 기반으로 15.2%의 광전변화효율을 갖는 폴더블 페로브스카이트 태양전지를 구현하였다. 이는 발표된 탄소 나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 효율에 해당한다.
○ 7 마이크로미터 두께를 갖는 SWNT-PI 복합체 필름의 뛰어난 기계적 특성 덕분에 유연 태양전지는 접음 조건 (굽힘 반경: 0.5 mm) 10,000회의 반복 사이클에도 성능을 동일하게 유지하였다.

3. 연구성과/기대효과
○ 탄소 나노튜브-폴리이미드 복합체 필름의 개발을 통해 탄소 나노튜브 위에 박막 디바이스에 구현하면서 따랐던 재현성 문제를 완화하고, 이를 기반으로 높은 유연성을 갖는 폴더블 태양전지를 구현하였다.
○ 접거나(foldable) 말 수 있는(rollable) 다양한 폼 팩터를 갖는 휴대용 스마트 디바이스의 에너지원으로 적용됨으로써, 사물인터넷 (IoT) 기술의 발전을 한 단계 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.
○ 본 투명 전도체 필름은 유연 태양전지 뿐만 아니라 다양한 종류의 포토디텍터, 박막 트랜지스터, 발광 다이오드를 비롯한 다양한 박막 전자소자에 적용되어, 이들의 경량, 유연성 특성을 극대화하는 데 활용될 수 있다.

그림 설명

 

그림 1. 탄소나노튜브-폴리이미드 투명 전도성 복합체 제작 및 표면 거칠기 특성
본 연구에서 개발된 탄소 나노튜브-폴리이미드 복합체는 탄소 나노튜브들의 빈 틈을 폴리이미드로 채우고, 이를 경화시킴으로써 제작된다. 이러한 특징 때문에 이 복합체의 표면은 제곱평균제곱근 (root-mean-square, RMS) 거칠기 0.446 nm의 매우 부드러운 표면을 갖는다. 이는 엉킨 머리카락과 같은 형태를 가진 탄소 나노튜브 필름 내부에 존재하는 빈 공간과 7.040 nm의 RMS 표면거칠기로 인해 탄소 나노튜브 위 박막 태양전지 형성을 어렵게 한 점을 완화하였다.

그림 및 그림설명 출처 : 부산대학교 전일 교수

 

그림 2. 폴더블 페로브스카이트 태양전지의 유연성
본 연구의 복합체 필름을 기반으로 구현된 페로브스카이트 태양전지는 접음 조건 (굽힘 곡률 반경: 0.5 mm)에서 10,000회의 반복 사이클 이후에도 처음과 동일한 성능을 보임으로써 폴더블 에너지원으로써의 잠재성을 보였다. 디바이스의 높은 유연성은 전도성 복합체의 기계적 유연성에서 기인한다.

그림 및 그림설명 출처 : : 부산대학교 전일 교수

연구 이야기

<작성 : 펜실베니아 주립대학교 윤정진 박사>

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

페로브스카이트 태양전지는 높은 광전변환효율(이하 효율)과 유연 디바이스로 구현이 가능하다는 점에서 ‘고성능 휴대용 전력원’이라는 새로운 패러다임을 열 수 있는 잠재성을 가진 기술이라고 생각한다. 이를 실현하기 위해서는 현재 디바이스 구조에서 비롯되는 유연성 문제를 해결해야 한다고 생각했고, 페로브스카이트 태양전지의 고효율을 유지하면서 유연성을 극대화할 수 있는 ‘유연 전극’에 대한 연구를 수행하게 되었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

다양한 투명 전극소재를 도입함으로써 효율과 유연성 문제를 해결하기 위한 연구를 수행해 왔다. 유연 전극 후보군 중 탄소 나노튜브는 태양전지의 유연 투명전극으로서 우수한 물리적 특성들을 지닌 소재다. 탄소 나노튜브는 수많은 나노튜브들이 머리카락처럼 엉켜있는 구조로 이루어져 있기 때문에 내부에 빈 공간이 많고 표면이 거친데, 이 위에 페로브스카이트 태양전지의 여러 구성층을 일정한 두께로 균일하게 형성하는 것이 문제였다. 탄소 나노튜브 전극의 장점을 유지하면서 이 단점을 완화할 수 있는 방법으로 나노튜브들의 빈 공간을 폴리이미드(절연 물질)로 채우는 아이디어를 떠올렸고, 이를 태양전지의 전극을 포함하는 플랫폼(기판)의 기능으로 활용할 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

탄소 나노튜브를 태양전지의 전극으로 활용하기 위해서는 이것의 전기적 특성을 태양전지에 적합하게 조절하는 작업이 필요하다. 이는 탄소 나노튜브에 몰리브데넘 삼산화물(MoO3)과 같은 특정한 물질들을 접촉시킴으로써 이루어지는데 이 과정을 ‘정전기적 도핑’(이하 도핑)이라고 한다. 이 연구의 복합체 전극은 탄소 나노튜브 네트워크가 폴리이미드 필름에 ‘박혀 있는’ 구조이기 때문에 나노튜브들이 도핑 물질과 접촉하기 어려웠다. 또한, 복합체가 고온의 온도에서 열처리를 통해 완성되기 때문에 고온 조건을 견디면서 도핑 효과를 낼 수 있는 물질을 찾아야 했다. 이를 극복하기 위하여 복합체 전극이 제작되는 과정에서 MoO3를 도포함으로써 복합체 내부에서 직접적으로 도핑이 일어나도록 유도했다. MoO3의 도핑 효과는 고온의 산소가 차단된 환경에서 극대화되는 것으로 알려져 있는데, 폴리이미드 필름에 둘러 쌓인 나노튜브가 산소와 접촉하지 않으면서, 폴리이미드의 열 안정성 덕분에 복합체를 완성하기 위해 열처리하는 과정에서 강력한 도핑이 일어나는 것을 발견하였다. 이로 인해 복합체의 전기적 특성을 효과적으로 조절할 수 있었고 결과적으로 고효율의 폴더블 태양전지 결과까지 이어졌다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

이번 연구를 통해 기존에 거친 표면의 탄소 나노튜브를 태양전지의 전극으로 활용하는 데 발생하는 어려움을 해결하였다. 또한, 이를 이용하여 높은 유연성과 광전변환효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 구현하였고, 페로브스카이트 태양전지의 ‘접을 수 있는’ (폴더블) 전력원으로서의 잠재성을 보인 점이 이 연구의 의의이다.

 

□ 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있나? 실용화를 위한 과제는?

본 연구 결과는 향후 높은 유연성과 휴대성을 필요로 하는 태양전지의 개발에 응용될 수 있다. 예를 들어 극한의 구부림이나 접히는 상황이 필요한 웨어러블, 휴대용 디바이스의 전력원으로 활용될 수 있다. 이를 위해 탄소 나노튜브 투명전극의 대면적화 기술과 페로브스카이트 태양전지의 대면적화 기술, 그리고 이들의 안정적인 구동을 위한 디바이스의 패키징 또는 봉지(encapsulation) 기술이 밑받침되어야 할 것이다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

고 유연성을 갖는 대면적 태양전지 (태양광 모듈)을 구현하는 것이 장기적인 연구 목표이다. 지금까지 수행해 온 연구들은 작은 면적에서 디바이스를 구현함으로써 본 분야의 잠재성을 찾는 방향의 연구였다. 고 유연성 태양광 모듈을 구현하기 위해서는 페로브스카이트 디바이스의 공정 기술개발 뿐만 아니라 유연성 측면에서의 디바이스 구조 개선이 필요하다. 이러한 방향의 후속 연구들을 통해 페로브스카이트 태양전지가 휴대용 에너지원으로 활용되기 위한 기반 기술 연구를 수행할 것이다.