[사이언스] 10,000회 반복 접어도 성능 유지하는 페로브스카이트 태양전지

차세대 휴대용 에너지원 활용 기대

특허뉴스 염현철 기자 | 기사입력 2021/02/14 [13:01]

[사이언스] 10,000회 반복 접어도 성능 유지하는 페로브스카이트 태양전지

차세대 휴대용 에너지원 활용 기대

특허뉴스 염현철 기자 | 입력 : 2021/02/14 [13:01]

▲ 탄소나노튜브-폴리이미드 투명 전도성 복합체 제작 및 표면 거칠기 특성 / 본 연구에서 개발된 탄소 나노튜브-폴리이미드 복합체는 탄소 나노튜브들의 빈 틈을 폴리이미드로 채우고, 이를 경화시킴으로써 제작된다. 이러한 특징 때문에 이 복합체의 표면은 제곱평균제곱근 (root-mean-square, RMS) 거칠기 0.446 nm의 매우 부드러운 표면을 갖는다. 이는 엉킨 머리카락과 같은 형태를 가진 탄소 나노튜브 필름 내부에 존재하는 빈 공간과 7.040 nm의 RMS 표면거칠기로 인해 탄소 나노튜브 위 박막 태양전지 형성을 어렵게 한 점을 완화하였다. 그림 및 그림설명 출처 : 부산대학교 전일 교수  © 특허뉴스

 

한국연구재단은 부산대학교 전일 교수, KIST 이필립 박사 연구진이 한일공동연구를 통해 탄소나노튜브-폴리이미드로 구성된 투명전도성 필름을 개발하고 이를 적용한 접을 수 있는 태양전지를 제안했다고 14일 밝혔다.

 

·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지인 페로브스카이트 태양전지는 광전변환효율이 높고 유연화할 수 있어휴대용 전력원으로 주목받는다.

하지만 접거나 구부릴 수 있는 휴대용 디바이스의 전원으로 활용하려면 하부 투명전극의 유연성을 높여야 했다.

 

한편 육각형의 탄소원자 격자로 구성된 그래핀이 수 나노미터의 원통 형태로 말려있는 나노재료인 탄소나노튜브는 유연성과 투명성을 동시에 지닌 좋은 전극 후보 물질이지만, 내부의 빈 공간들과 거친 표면 때문에 하부 전극으로 활용하는 데 어려움이 있었다.

 

이에 연구팀은 그물 형태의 탄소나노튜브의 빈틈과 거친 표면을 폴리이미드로 보완한 투명전도체를 개발했다. 폴리이미드가 빈틈을 매우고 거친 표면을 매끄럽게 유도해 유연하고 투명한 탄소나노튜브의 장점을 살리되 단점은 보완했다.

 

▲ 폴더블 페로브스카이트 태양전지의 유연성 / 본 연구의 복합체 필름을 기반으로 구현된 페로브스카이트 태양전지는 접음 조건 (굽힘 곡률 반경: 0.5 mm)에서 10,000회의 반복 사이클 이후에도 처음과 동일한 성능을 보임으로써 폴더블 에너지원으로써의 잠재성을 보였다. 디바이스의 높은 유연성은 전도성 복합체의 기계적 유연성에서 기인한다. 그림 및 그림설명 출처 : 부산대학교 전일 교수  © 특허뉴스

 

실제 이를 적용해 제작한 접을 수 있는 폴더블 페로브스카이트 태양전지는 기존에 보고된 탄소나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 광전변환효율(15.2%)를 나타냈다.

접음 조건(0.5 mm 굽힘 반경)에서 10,000회 반복 사이클 후에도 성능이 처음과 동일하게 유지되는 높은 유연성을 보였다.

 

한편 전기전도도 향상을 위해 첨가한 몰리브데넘삼산화물(MoO3)은 산소가 차단된 고온 조건에서 그 효과가 극대화된다. 탄소 나노튜브를 감싸는 본 전도체 필름의 구조와 열 안정성 덕분에 추가적인 작업 없이 전극의 전기전도도 향상 효과가 극대화되었다.

 

탄소나노튜브를 유연 태양전지 등 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 고 유연성 전자소자의 전극으로 효과적으로 활용할 수 있는 토대가 될 것으로 기대된다.

 

이번 연구의 결과는 국제학술지 어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)’28일자로 게재되었다.

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