구겨져도 원래 형태로 회복해 웨어러블 소자에 적용 가능

웨어러블 기기에 적용할 태양전지는 뛰어난 기계적 유연성과 높은 광전변환 효율을 동시에 만족시켜야 하는 어려움이 있었다. 기존의 플렉서블 유기 태양전지의 경우, 기계적 유연성은 확보하기 쉬웠으나 효율이 높지 않다는 단점이 있었다.

최근 용액 및 저온공정으로 제조가 가능해진 유-무기 페로브스카이트 태양전지가 급부상하면서 고효율 플렉서블 태양전지에 적용할 수 있는 가능성이 제시됐다. 

 

▲ 그림 1.

그러나 기존에 사용되던 플라스틱 기판은 많이 휘거나 접을 경우 원래 형태로 회복되지 않는다는 문제가 있었고, ITO 투명 전극 역시 쉽게 깨져 소자가 제대로 구동하지 않는 문제점이 있었다. 이러한 관점에서, 플렉서블 태양전지에 사용될 플라스틱 기판은 접거나 구겨져도 원상태로 회복될 수 있어야 하고 투명전극 역시 깨지지 않는 소재가 사용돼야 하며, 따라서 이를 만족하는 고효율-고유연성 페로브스카이트 태양전지가 개발되어야 했다.

최근, 한국과학기술연구원(KIST) 광전하이브리드연구센터 고민재 박사팀과 연세대학교 기계공학과 김대은 교수팀은 형상 기억 고분자 기판 위에 기존의 잘 깨지는 투명전도성 전극(ITO ;  Indium Tin Oxide)과 금속 후면 전극 대신 고분자 투명전극(PEDOT : PSS ; poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate), 액체 금속을 사용해 태양전지를 접고 구겨도 원래 형태로 돌아갈 수 있는 새로운 개념의 플렉서블 페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

▲ 그림 2.

여기서 ITO란, 주석 산화물(Tin Oxide)에 인듐이 도핑된 금속 산화물로, 투명하면서도 금속의 전기 전도도에 준하는 높은 전도성을 갖기 때문에 태양전지, 디스플레이 분야에서 대표적으로 사용되는 소재이다. 

또한 PEDOT : PSS는 대표적인 투명 전도성 고분자로, ITO를 대체할 수 있는 투명 전극 소재로 꼽히며 ITO보다 낮은 가격과 용액공정이 가능하다는 장점을 갖고 있다. 그리고 페로브스카이트는 유기물이 달린 양이온과 요오드화납 음이온이 결합된 물질로, 최근 차세대 태양전지의 광 흡수층으로 많이 사용되는 반도체다. 기존의 금속산화물로 이루어진 페로브스카이트 결정 구조와 유사한 구조로 되어 있다.

최근 유-무기 하이브리드 페로브스카이트 태양전지가 실리콘 태양전지와 경쟁할 수 있을 정도로 큰 잠재력을 갖고 있는 것으로 평가받고 있다. 연구 시작 3년 만에 최고 효율 20.1%에 달했고, 용액 및 저온 공정에 기반을 두고 있어 특히 플렉서블 태양전지로 사용되는 데 최적화된 물질이다.

플렉서블 태양전지는 플라스틱 기판을 사용하므로 150도 이하의 저온 공정이 필요한데, 유기 반도체를 페로브스카이트와 전극 사이에 중간층으로 사용하는 태양전지 구조에서는 모든 공정이 150도 이하에서 제작 가능하므로 플렉서블 태양전지에 최적화되어 있다고 볼 수 있다. 

그러나 웨어러블 및 플렉서블 소자의 전력 공급체로 적용하기 위해서는 기존의 플라스틱 기판을 대체할 수 있는 새로운 투명전극 기판이 필요하다. 일반적으로 사용되는 플라스틱 필름은 많이 구부리거나 접을 경우 소성 변형이 쉽게 일어나 원래 형태로 회복되지 않고 투명전도성 전극 역시 잘 깨지므로 웨어러블 및 플렉서블 소자에 적용하기에 적합하지 않은 기판이다.

KIST, 연세대학교 공동연구팀은 이러한 플라스틱 필름 대신 형상 기억 고분자(NOA 63)를 평평한 기판으로 만들고 120도 이하의 저온 공정으로 페로브스카이트 태양전지를 구성했다. 태양전지를 접기 전 광전변환 효율은 최고 10.83%, 접고 난 후에는 10.4 %였으며 1000번의 벤딩 테스트 후에도 9.68%로 ITO가 없는 페로브스카이트 태양전지 중 가장 높은 효율과 기계적 안정성을 나타냈다. 

또한 완전히 구겨져도 기판의 형상 기억 특성 때문에 최초의 형태와 거의 유사한 모양으로 회복됐으며 원래 형태로 복구된 후에는 6.1%의 효율을 기록했다.

그리고 나노 인덴테이션(금속, 산화물, 고분자 등 지구 상에 존재하는 모든 재료의 기계적 특성을 가장 정확하게 분석할 수 있는 방법. 수㎛ 크기의 미세한 침이 일정한 힘으로 재료 표면을 수직 방향으로 누를 때 재료가 침에 의해 변형되는 정도를 파악함으로써 다양한 기계적 특성을 알 수 있다) 분석법과 전자현미경을 이용, 태양전지에 사용된 재료의 기계적 특성을 심도 깊게 분석하고, 수학적 시뮬레이션을 통해 태양전지를 접어도 모든 재료에 손상이 없다는 것을 증명했다. 

따라서 페로브스카이트 박막은 매우 유연하며 높은 광전효율을 낼 수 있는 광 흡수 물질이고, 이는 앞으로 플렉서블 태양전지 분야에서 각광 받을 수 있을 것이다.

연구책임자인 고민재 박사는 “개발한 태양전지는 유연성이 매우 뛰어나고 용액 및 저온공정이 가능하며, 효율이 높아 웨어러블 태양전지, 휴대 전자 소자 등 다양한 전자 기기의 핵심적인 광에너지 자원으로 활용될 것으로 기대된다”고 말했다.  

정리 : 김희성 기자 (npnted@hellot.mediaon.co.kr)