물에 잠겨도 끄떡없다… 상식 뒤집은 태양전지 개발

한국재료연구원 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 최대 약점으로 꼽혀온 수분 안정성 문제를 개선한 기술을 개발했다. 비를 맞거나 물속에 잠겨도 성능을 유지할 수 있는 수준으로 내수성을 높여 차세대 태양전지 상용화 가능성을 끌어올렸다는 평가다.

한국연구재단은 한국재료연구원 김소연·임동찬 책임연구원 연구팀이 낚시 그물(Fishing-net) 구조를 모사한 분자 네트워크를 페로브스카이트 계면에 형성해 수분 침투를 막는 기술을 개발했다고 30일 밝혔다. 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단의 미래유망융합기술파이오니어사업, 한국재료연구원 기본사업 지원으로 수행됐으며, 성과는 국제학술지 Nano-Micro Letters에 지난 17일 게재됐다.


페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지에 버금가는 효율과 낮은 제작 비용 때문에 차세대 태양전지의 유력한 후보로 꼽혀왔다. 다만 소재 자체가 수분과 산소에 매우 취약해 비나 습기에 노출되면 성능이 급격히 떨어지는 한계가 있었다. 기존에는 소자 바깥에 두꺼운 보호막을 씌워 물과 공기를 차단하는 방식이 주로 쓰였지만, 제조 공정이 복잡해지고 비용이 늘며 유연성도 떨어지는 문제가 있었다.

연구팀은 외부를 막는 대신 소재 자체를 물에 강하게 만드는 접근법을 택했다. 구리 이온(Cu2+)을 연결 고리로 삼아 단단한 유기분자 BCP와 유연한 고분자 PEIE를 결합했고, 이를 통해 페로브스카이트 계면에 촘촘한 분자 네트워크를 형성했다. 이 구조는 수분이 내부로 침투하는 것을 막는 동시에, 성능 저하의 원인인 이온 이동도 효과적으로 억제했다.

특히 이번 연구는 기존과 달리 태양전지를 실제 물속에 반복적으로 담그는 침수 시험으로 내수성을 검증했다. 별도의 글로브박스 없이 공기 중에서 제작한 태양전지로 26% 이상의 광변환 효율도 달성했다. 저밴드갭부터 고밴드갭까지 다양한 조성에서도 높은 효율을 확보해, 특정 소재에만 한정되지 않는 범용 기술 가능성도 입증했다.


유연 기판 기반 소자에서도 1만 회 이상의 반복 굽힘 시험 후 높은 성능 유지율을 보여, 경량·유연 태양전지로의 확장 가능성도 확인했다. 연구팀은 이 기술이 건물일체형 태양광(BIPV), 자동차일체형 태양광(VIPV), 수중·실외 IoT 센서 자립 전원, 스마트 농업과 양식장 모니터링, 웨어러블·휴대형 전원 등으로 폭넓게 활용될 수 있다고 설명했다.

김소연·임동찬 책임연구원은 “태양전지 소재 자체를 물에 강하게 만든 것이 가장 큰 차별점”이라며 “향후 대량생산 공정과 실리콘 태양전지와 결합한 탠덤 태양전지에 적용해 조기 상용화를 추진하겠다”고 말했다.