"1만번 접어도 그대로"…고성능 '폴더블' 태양전지 소재 개발

한국연구재단 "한일공동연구팀, 탄소나노튜브-폴리이미드 구성 투명전도성 필름 개발"

[아시아경제 김봉수 기자] 1만번 이상 접었다 폈다 해도 높은 효율과 성능을 유지하는 태양전지 소재가 개발됐다.

14일 한국연구재단에 따르면, 전일 교수(부산대학교), 이필립 박사(KIST) 연구팀은 최근 한일 공동 연구를 통해 탄소나노튜브-폴리이미드로 구성된 투명전도성 필름을 개발했으며, 이를 적용한 접을 수 있는 태양전지를 제안했다.

현재 태양전지 기술은 광전변환효율이 높고 유연화할 수 있어 휴대용 전력원으로 주목받는 3세대 태양전지인 '페로브스카이트 태양전지' 개발에 열을 올리고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 유ㆍ무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지를 말한다. 이를 위해선 접거나 구부릴 수 있는 휴대용 디바이스의 전원으로 활용하려면 하부 투명전극의 유연성을 높이는 게 필수 과제다. 탄소나노튜브의 경우 유연성과 투명성을 동시에 지닌 좋은 전극 후보 물질이지만, 내부의 빈 공간들과 거친 표면 때문에 하부 전극으로 활용하는 데 어려움이 있었다.

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. 이를 활용해 연구팀이 제작한 접을 수 있는 폴더블 페로브스카이트 태양전지는 기존에 보고된 탄소나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 광전변환효율(15.2%)를 나타냈다. 특히 접음 조건(0.5 mm 굽힘 반경)에서 1만회 반복 사이클 후에도 성능이 처음과 동일하게 유지되는 높은 유연성을 보였다.

연구팀은 또 전기전도도 향상을 위해 첨가한 몰리브데넘삼산화물(MoO3)은 산소가 차단된 고온 조건에서 그 효과가 극대화된다는 사실도 확인했다. 탄소 나노튜브를 감싸는 본 전도체 필름의 구조와 열 안정성 덕분에 추가적인 작업 없이 전극의 전기전도도 향상 효과가 극대화된 것이다. 탄소나노튜브를 유연 태양전지 등 폴더블, 롤러블 디바이스와 같은 고 유연성 전자소자의 전극으로 효과적으로 활용할 수 있는 토대가 될 것으로 기대된다.

이번 연구 결과는 국제학술지 '어드밴스드 사이언스 (Advanced Science)'에 지난 8일자로 게재됐다. 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터사업, 기후변화대응기술개발사업 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr