한국연구재단, 낚시 그물 모사 계면 네트워크 기술 소개

[충청뉴스 이성현 기자] 비나 습기에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 페로브스카이트 태양전지의 치명적 약점을 소재 본연의 내구성 강화로 극복해 물속에서도 안정적으로 작동하는 차세대 태양전지 계면 기술이 국내 연구진에 의해 상용화 단계로 진입했다.

한국연구재단은 한국재료연구원 김소연·임동찬 책임연구원 연구팀이 낚시 그물(Fishing-net) 구조를 모사한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성하여 수분 침투를 차단하는 기술을 개발했다고 21일 밝혔다

페로브스카이트 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 수준의 높은 효율과 저렴한 제작비용으로 차세대 에너지원으로 주목받았으나 수분과 산소에 매우 약해 두꺼운 외부 봉지재(인캡슐레이션)에 의존해야 했다.

특히 기존 보호막 방식은 공정이 복잡해지고 단가가 상승하며 유연성을 저해하는 한계가 존재했다.

이에 연구진은 비 오는 날 실험실 습도 변화로 인해 재현성이 떨어지던 사례에 착안해 제한된 환경을 벗어나 일반 대기 환경에서도 제작 가능한 내수성 기술 개발에 착수했다.

연구팀은 금속 이온(Cu2+)을 연결 고리로 단단한 유기분자(BCP)와 유연한 고분자(PEIE)를 결합하여 페로브스카이트 계면에 촘촘한 낚시 그물망 구조를 구축했다.

이 계면 네트워크는 수분 침투 통로를 막는 동시에 소자 내부의 이온 이동을 억제해 전하 이동과 효율을 향상시켰다.

특히 특수 불활성 기체 환경인 글로브박스가 아닌 일반 공기 중에서 제작했음에도 26% 이상의 광변환 효율을 달성했으며 수중 침수 시험 후에도 성능이 되살아나는 신뢰성을 증명했다.

이번 성과는 외부 봉지층으로 약점을 가리던 방식을 벗어나 계면 본연의 내구성을 확보함으로써 페로브스카이트의 상식을 뒤집은 것으로 평가받는다.

개발된 기술은 고온·고습 환경에서도 제약 없이 작동할 수 있어, 스마트팜·양식장·하천 등 수중·실외 IoT 센서의 자립 전원은 물론 건물일체형(BIPV), 자동차일체형(VIPV), 웨어러블 전원 등으로 광범위하게 확장할 수 있다.

다만 실제 제품화를 위해서는 소면적 셀의 안정성을 대면적 모듈에서도 균일하게 구현하고, 롤투롤 연속 생산 공정 적응성, 장기 자외선·열충격 신뢰성, 제조 단가 절감 등의 과제를 해결해야 한다.

김소연·임동찬 책임연구원은 “소재 자체를 물에 강하게 만든 것이 가장 큰 차별점”이라며 “앞으로 대면적 모듈화 공정과 롤투롤 연속 생산, 실리콘 태양전지와 결합한 탠덤 태양전지 적용 및 실증 평가를 단계적으로 연계해 조기 상용화를 추진하겠다”고 설명했다.