한양대 연구진, 스스로 손상 치유하는 태양전지 기술 개발

[서울=뉴시스]박시은 인턴 기자 = 한양대학교는 화학공학과 고민재 교수 연구팀이 '손상된 페로브스카이트 태양전지의 반복 자가치유(self-healing) 기술'을 개발했다고 29일 밝혔다.

해당 연구는 태양전지의 고질적 문제인 수분 취약성을 극복하고, 상용화의 핵심인 안정성을 획기적으로 높였다는 점에서 학계의 주목을 받고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 차세대 태양전지 후보로 주목받으며 이미 27% 수준의 높은 광전변환효율을 달성하고 있다. 그러나 수분에 노출되면 내부 구성 성분이 휘발되면서 구조가 무너지는 화학적 불안정성이 상용화의 걸림돌이었다.

연구진은 기존의 '차단' 방식에서 벗어나 소재 스스로 상태를 '복구'하는 메커니즘에 주목하고, 내부에 다양한 기능기를 고밀도로 담는 '덴드리머(dendrimer)'를 페로브스카이트 박막에 도입했다.

설계된 덴드리머 내부의 카복실레이트(-COO-) 기능기는 열화 과정에서 빠져나가는 포름아미디늄(FA) 성분을 수소결합으로 포집해 두는 '휘발성 저장고(volatile reservoir)' 역할을 한다. 동시에 외곽의 아민(-NH) 기능기는 납(Pb)과 상호작용해 소재 전체를 안정화한다.

즉 덴드리머가 열화 시 핵심 성분을 임시 저장했다가 다시 건조한 환경이 되면 이를 재공급하며 원래의 결정 구조로 되돌리는 핵심 엔진으로 작동하는 것이다.

연구진이 가혹한 고온·고습 조건에서 실험을 진행한 결과, 해당 소자는 26.2%의 고효율을 달성했다. 이어 고습과 건조가 반복되는 사이클을 10회 거친 후에도 초기 효율의 90% 이상을 회복하며 성능을 유지했다.

고 교수는 "향후 이 개념은 태양전지뿐만 아니라 발광다이오드, 광검출기 등 환경 스트레스에 취약한 다양한 광전자소자에 폭넓게 적용될 수 있을 것"이라고 전했다.

한편 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 재료과학 분야 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 지난 22일 표지논문으로 게재됐다. 논문에는 한양대 구본기·김우연 연구원이 공동 제1저자로, 고민재 교수가 교신저자로 참여했다.

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