물·자외선으로부터 태양전지 보호하는 '스프레이 코팅' 기술 개발

간단하게 스프페이 코팅 방식으로 태양전지를 수분으로부터 보호하고, 전지 노화를 일으키는 자외선을 차단해 유용한 가시광선으로 바꾸는 기술이 개발됐다. 

지구상 가장 풍부한 자원인 태양에너지를 통해 깨끗한 전기를 생산하는 태양관발전 연구가 활발한 가운데 최근 페로브스카이트 태양전지(Perovskite solar cells)가 저렴한 제조 단가와 급격한 효율 성장세로 연구되고 있다. 

그러나 페로브스카이트 태양전지는 인체에 유해한 납(Pb)을 다량 함유할 뿐만아니라 자외선과 수분 등에 노출되었을 대 안전성이 많이 떨어지는 문제가 있어 상용화에 어려움을 겪고 있다.

울산과학기술원(UNIST) 권태혁·서관용·장성연 교수팀은 수분은 막아내면서 자외선을 가시광선으로 바꾸는 다기능성 페로브스카이트 전지 코팅재료와 코팅 방식을 개발했다고 22일 밝혔다. 

물을 밀어내는 성질인 발수성을 강화한 유기금속을 ‘초음파 스프레이 방식’으로 전지에 입힌 것으로 이를 통해 페로브스카이트 태양전지가 갖는 고질적 문제인 수분 취약성을 해결하고 전지 효율도 높였다고 한다. 

이 유기금속은 페로브스카이트에 쪼여진 자외선을 가시광선으로 바꾸는 역할을 하며 전지에 유해한 자외선은 막고, 이를 페로브스카이트 전지가 흡수해 전력을 생산 할 수 있는 형태의 가시광선으로 바꾼다. 

연구진은 이 유기금속의 발수성을 강화하는 방식으로 수분과 자외선을 효과적으로 막으면서 효율은 끌어올렸다고 설명했다. 

화학과 황은혜 연구원(제1저자)은 "유기금속이 금속인 백금 이온 주변에 유기물이 꼬리처럼 달라붙어 있는 구조를 갖는데. 이 꼬리 부분에 발수성이 강한 물질(작용기)을 썼다"고 말했다. 

공동 제1저자 김형우 에너지공학과 연구원은 "자외선을 선택적으로 흡수해 이를 다시 가시광선으로 발산하는 유기금속을 밀도범 함수 이론에 기초해 디자인 했다"고 설명했다.

또 연구진은 유기금속이 코팅된 전지는 50-60%의 높은 습도에서도 900시간 가까이 초기 효율을 유지했고, 광하향변환(Photon Downshifting)에 의해 전지 효율도 향상 됐다고 했다.

이 코팅을 적용하지 않은 전지의 경우 300시간 만에 자외선에 의해 효율이 반으로 줄어든 반면 코팅이 적용된 전지는 처음의 효율을 유지했다. 

서관용 교수는 “페로브스카이트 태양전지의 고질적인 불안정성 문제를 해결하는 동시에 전지의 효율을 높였다는 점에서 파급력이 큰 연구”라고 전했다.

또한 연구팀은 이 유기금속을 쉽게 코팅할 수 있는 경제적 기법도 개발했다고 전했다. 미세 입자상태의 복합체 용액을 압축 질소 기체를 이용해 아주 얇게 코팅하는 방법이다. 기존 공정들과 달리 기판의 윗면과 측면을 동시에 코팅할 수 있다.

장성연 교수는 “최소한의 공정으로 경제성(약 US$2.0/m2)을 갖췄다”고 강조했다.

권태혁 교수는 “다기능성 보호막을 단일물질(유기금속), 단일공정을 통해 만들었다는데 의의가 크다”며 “페로브스카이트뿐만 아니라 다양한 태양전지에 적용 가능한 ‘플랫폼’ 기술로서도 가치 있는 연구”라고 설명했다.

이번 연구 수행은 한국연구재단(NRF), 한국에너지기술평가원(KETEP), 울산과학기술원의 지원으로 이뤄졌으며, 에너지 분야의 저명한 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 논문명 'Fabrication of Water-Repellent Platinum(II) Complex-Based Photon Downshifting Layers for Perovskite Solar Cells by Ultrasonic Spray Deposition'로 온라인 공개됐으며 9월 23일(한국시간) 출판될 예정이다.

포인트경제 김지연 기자