[베리타스알파=김하연 기자] 한양대는 고민재 화학공학과 교수가 나노구조의 코발트 질화물(窒化物)을 차세대 태양전지의 전극에 적용시키는 방법을 개발했다고 21일 밝혔다. 코발트 질화물은 태양전지 전극으로 사용되는 기존 소재들에 비해 저렴해 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대됐다.
유·무기 화합물을 이용한 염료감응 태양전지와 페로브스카이트 태양전지는 기존에 사용해 오던 실리콘·박막형 태양전지에 비해 상대적으로 저렴해 차세대 에너지원으로 주목받고 있다. 하지만 이러한 태양전지들에도 일부 값비싼 물질이 사용되고 있기 때문에 상용화를 위해서는 이를 대체할 신소재의 개발이 필수적이다.
염료감응 태양전지는 상대전극에 고가의 백금 촉매가 들어간다는 점이, 페로브스카이트 태양전지는 정공수송층으로 사용되는 고분자 물질이 금이나 백금 이상으로 비싸거나 산성을 띠어 전지의 성능을 떨어뜨린다는 점이 큰 걸림돌이었다. 이를 대체하기 위해 다양한 탄화물, 질화물, 황화물들이 개발됐지만 합성 시 독성가스를 이용한 고온 열처리 과정이 필요해 제조공정의 경제성이 떨어지고 환경문제를 야기한다는 단점이 있었다.
이번 연구의 핵심은 염료감응 및 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 고가의 물질들 대체하면서도 높은 성능을 유지할 수 있는 코발트 질화물 전극을 개발하고, 이를 상온의 친환경 공정을 통해 제조할 수 있도록 한 점이다. 고 교수는 이번 연구에서 개발한 코발트 질화물을 염료감응 태양전지의 상대전극에, 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층에 사용했다.
그 결과 염료감응 태양전지의 경우, 에너지 변환 효율이 백금을 사용한 경우와 유사하게(약 97%) 유지되는 것을 확인했다. 또한 페로브스카이트 태양전지의 경우, 질화물을 정공수송층으로 사용할 수 있다는 것을 세계 최초로 선보였을 뿐만 아니라 15%의 높은 에너지 변환 효율을 얻는 데 성공했다.
또한 플라스틱 소재 기판을 이용한 코발트 질화물 전극을 제조해 휘어지는 태양전지에 적용함으로써 상온 공정의 장점을 입증했고, 향후 웨어러블 디바이스(wearable device) 적용 가능성을 제시했다.
고 교수는 “이번 연구를 통해 기존 무기화합물 기반의 전극 제조과정을 개선할 수 있을 것으로 예상한다”며 “또한 질화물을 페로브스카이트 태양전지의 정공수송층으로 적용할 수 있다는 것을 세계 최초로 보여줌으로써 태양전지 전극재료 개발의 지평을 넓힐 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
이번 연구는 미래창조과학부와 IBS 기초과학연구원 지원을 받아 성영은 서울대 교수, 최만수 서울대 교수, 호서대 김재엽 교수 연구팀과 함께 진행됐다. 연구결과는 세계적인 학술지 Advanced Energy Materials 5월 4일자 앞표지 논문으로 게재됐다.
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