UNIST, 페로브스카이트 태양전지 성능 높이는 전극 개발

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 박혜성 교수팀은 ‘그래핀 중간층을 삽입한 고성능 금속 기반 유연 투명전극’을 개발했다고 28일 밝혔다.

그간 페로브스카이트 태양전지의 고질적인 문제로 지목됐던 ‘금속-유도 분해 현상’을 억제해 안정성을 끌어 올린 것이다.

태양전지처럼 빛 에너지를 전기 에너지로 만들거나 디스플레이 소자처럼 전기 에너지를 빛 에너지로 바꾸는 ‘광전소자’에는 투명하고 전자를 잘 이동시키는 전극이 들어간다. 지금까지는 금속산화물 기반 전극(ITO)을 사용했는데 딱딱하고 쉽게 부서지는 성질이 있어 웨어러블(Wearable) 디바이스에 적용하기 힘들었다.

특히 이 전극을 페로브스카이트 태양전지에 적용할 경우 페로브스카이트(광할성층)에 포함된 할로겐 원소가 금속산화물 쪽으로 이동해 금속전극과 광할성층이 동시에 분해되는 문제가 있었다.

박혜성 교수팀은 이 문제를 그래핀 층을 삽입하는 방법으로 해결했다. 그래핀은 전기 전도도가 높아 전자를 잘 통과시키는 반면 원자가 이동하지 못하게 막는 ‘불침투성’이 있다.

그래핀을 금속 투명전극과 페로브스카이트 광활성층 사이에 중간층으로 삽입하면 전자(전하)는 잘 흐르지만 할로겐 원소는 이동하지 못하게 되는 것이다. 게다가 그래핀 자체가 투명하고 유연해 광전소자용 전극으로 활용하기도 적절하다.

연구팀은 그래핀 중간층이 삽입된 ‘금속-그래핀 하이브리드 유연 투명전극’을 페로브스카이트 태양전지에 적용했다. 페로브스카이트 태양전지는 16.4%의 광전변환효율을 기록했고 1000시간이 지나도 초기 효율의 97.5% 이상을 유지했다.

또한 5000번의 굽힘 시험 후에도 초기 효율의 94%를 유지하는 등 우수한 기계적 내구성을 보여 차세대 웨어러블 소자에 응용 가능성을 보였다.