자가치유 고분자를 활용한 페로브스카이트 태양전지 개발

기존에 사용했던 유리를 대체해 페로브스카이트의 유연성 유지

페로브스카이트의 단점, 납의 오염을 보다 효과적으로 방지

[위즈덤 아고라 / 김현동 기자] 한국과학기술원 (KIST) 첨단소재연구본부, 성균관대 전자전기공학부 공동연구팀에서 27일, 납 유출을 보다 효과적으로 방지하기 위해 자가치유 고분자 소재를 활용한 페로브스카이트 태양전지를 개발한 내용을 한국연구재단에서 발표했다.

페로브스카이트란 두 종류의 양이온과 음이온 1개를 결합해 만들어진 3차원 결정 구조를 가진 금속 산화물이다. 양이온 자리에는 무기물과 (납과 같은 금속) 유기물을,  음이온 자리에는 할로젠화물 또는 산화물이 들어간 것을 무/유기 하이브리드 페로브스카이트라 불린다. 

페로브스카이트는 유기물과 무기물의 장점들을 모두 가질 수 있으며 실리콘 전지에 비해 생산 공정이 간단하다.

다만, 페로브스카이트는 습기와 높은 온도에 취약하다. 습기에 노출될 경우 결정 구조가 변해 효율성이 떨어진다. 그리고 무기물 자리에 주로 납과 같은 중금속이 쓰이는데 납 성분이 물에 녹아 유출될 경우 인체에 큰 해가 될 수 있다.

수분 및 온도 등 여러 단점을 해결하고자 기존에는 Encapsulation 방법을 사용해 유리로 태양전지를 코팅했다. 태양전지 코팅을 통해 열과 수분을 차단하지만 사용된 유리 코팅은 쉽게 깨져 수분에 노출돼 페로브스카이트의 효율성이 떨어짐과 동시에 납 오염까지 이어지며  페로브스카이트의 특성인 유연성 또한 살리지 못한다.

연구진들은 깨지기 쉬운 유리를 대신해 가볍고 유연한 자가치유 소재에 대한 연구를 진행했다. 자가치유 소재는 이름 그대로 손상을 입어도 다시 원상태로 복구가 가능한 신소재로 금속이나 플라스틱에 자가치유 기술을 삽입한 것이다.

자가치유 소재는 손상되어도 수소 결합을 통해 손상된 부분을 메우는 PDMS를 기반으로 하는 자가치유 고분자를 봉지 막과 전극소재로 적용해 신축성과 납 오염 유출을 보완했다. 

PDMS란 Polydimethylsiloxane의 약자로 규소계 고분자이다. PDMS의 물성은 PDMS의 분자량, 표면특성 등 여러 요소들에 의해 좌우되는데 PDMS가 저분자량일 경우 액체와 같이 행동해 윤활유 등에 사용되며 고분자량의 PDMS는 고무와 같은 특성을 가지게 된다.

연구진은 성능을 확인하고자 자가치유 고분자를 사용한 페로브스카이트 태양전지에 우박을 떨어뜨린 뒤 태양전지를 물에 넣어 흘러나온 납 화합물의 양을 측정했다. 그 결과 0.6 ppb 정도 나왔으며 기존 유리로 코팅한 태양전지는 5.6 ppm으로 5000배 정도의 납 유출 차단 효과를 확인했다.

연구팀은 자가치유 고분자와 페로브스카이트 태양전지의 내구성을 좀 더 개선하고자 후속 연구를 진행하고 있다.