<탄소 기반 복합 필름을 적용한 태양전지 구조 및 안정성 시험 결과>

[한국기술뉴스]부산대학교 나노에너지공학과 김수형·이형우 교수와 한국재료연구원 송명관 박사 연구팀이 태양전지에 사용되는 금속 전극을 대체할 수 있는 '탄소나노튜브-그래핀 복합필름'을 개발했다.

빛 에너지를 전기로 바꾸는 태양전지의 전극에는 통상 금·은과 같은 금속이 사용된다. 전도성이 높으면서 얇고 균일하게 사용할 수 있지만, 단가가 높고 공정에 상당한 비용이 들어간다. 고습 환경에서 부식이 빠르게 진행돼 효율이 떨어지는 단점도 있다. 이를 대체하기 위한 연구가 꾸준히 진행되고 있는 가운데, 부산대학교 연구팀이 기존 태양전지에 사용되는 금속 전극을 대체할 ‘탄소 기반 복합 필름’ 개발에 성공했다. 쉬운 공정을 통해 제작되는 이 필름은 가벼우면서도 효과적인 수분 차단이 가능해 높은 안정성을 갖는 태양전지 개발 연구에 다양하게 응용될 수 있을 것으로 전망된다.

부산대학교(총장 차정인)는 나노에너지공학과 김수형·이형우 교수와 한국재료연구원 송명관 박사 연구팀이 금속 전극을 대체할 수 있는 ‘탄소나노튜브-그래핀 복합 필름’을 개발하고 이를 페로브스카이트 태양전지로의 적용에 성공했다고 17일 밝혔다. 이번 연구 성과는 지난 9일 미국 화학회 학술지인 『ACS 응용물질·계면(ACS Applied Materials & Interfaces)』에 발표됐으며, 표지논문으로 선정됐다. 연구에는 부산대 나노융합기술학과에서 석사학위를 취득한 톈멍디 학생이 제1저자, 석박통합과정 대학원생인 우채영 학생이 공동저자, 한국재료연구원 송명관 박사와 부산대 나노에너지공학과의 김수형 교수, 연구책임자인 나노에너지공학과 이형우 교수가 교신저자로 참여했다. 이번 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단 기초연구사업(기본연구)과 선도연구센터사업 지원으로 수행했다.

은과 금 등의 금속은 태양전지의 전극에 사용되는 필수적인 재료다. 높은 전도성을 가지며 일반적으로 고진공 기반의 증착 기법을 통해 얇고 균일하게 형성된다. 하지만 이와 같은 금속 재료는 높은 단가 및 공정비용이 필요할 뿐만 아니라 금속 전극 기반의 페로브스카이트 태양전지는 높은 습도 환경에서 빠르게 부식돼 광전변환효율이 급격하게 감소하는 단점이 있어 이를 대체하기 위한 연구가 꾸준히 요구돼 왔다. 

부산대 연구팀이 개발한 탄소나노튜브-그래핀 복합 필름은 탄소나노튜브의 건식방사 공정을 이용해 쉽게 제작될 수 있다. 필름 제작에 사용되는 두 재료 모두 높은 전도성을 가지므로 고전도 전극으로 사용할 수 있을 뿐 아니라 소수성 특성이 있어 효과적인 수분 차단이 가능하다. 또한, 가벼우면서도 유연해 매우 간편하게 태양전지에 부착 가능하다는 장점이 있다.

연구팀은 이 필름을 페로브스카이트 태양전지의 전극으로 적용해 은 전극을 사용한 태양전지의 90% 수준에 달하는 광전변환효율을 달성했고, 50% 상대습도 환경에서 500시간 노출 후에도 초기 효율의 86%를 유지하는 등 높은 광전변환효율을 보이면서 습도에도 안정적인 태양전지 성능 구현을 증명해 개발된 필름의 우수성을 입증했다.

연구책임을 맡은 부산대 이형우 교수는 “이번에 개발된 탄소 기반 복합 필름은 건식방사를 통해 간편하게 제작할 수 있으며 효과적인 수분 차단 역할을 하는 고전도성 필름이면서도 유연성을 가지므로 어디든 쉽게 부착할 수 있다”며 “본 연구 결과에서 언급된 태양전지로의 응용에서부터 웨어러블 소자, 센서 등 다양한 분야로에 사용이 가능할 것이고, 향후 더 많은 노력을 기울여 우수한 나노소재의 발전에 기여할 수 있도록 하겠다”고 밝혔다.

특히 이번 연구 결과의 기반이 되는 건식방사 기반 탄소나노튜브 필름 제작 기술은 부산대 산학협력단 지원으로 특허출원 및 등록을 마쳤으며, 2020년 10월 서우테크(주)에 기술이전해 사업화를 진행하고 있다.