전북대학교 한윤봉 교수팀(화학공학부)의 그래핀-금속산화물 복합소재 개발 연구결과가 세계 학계의 주목을 받고 있다. 

한 교수팀이 개발한 그래핀-금속산화물 기능성 나노복합소재에 차세대 고효율 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 안정성과 전기적 특성을 획기적으로 향상시킨 연구결과가 첨단 에너지소재 분야의 세계적 학술지인 'Nano Energy'(IF=16.602)에 온라인 게재됐다고 4일 밝혔다. 

그래핀은 단결정 실리콘보다 100배 이상 전하이동 속도가 빠르고, 구리보다 100배 이상 전기가 잘 통하는 소재다. 

강철보다는 200배 이상 강하고 다이아몬드보다 2배 이상 높은 열전도성을 갖는 꿈의 소재로도 알려졌다. 

또한 그래핀의 격자상수는 물 분자 크기보다 작아 공기 중의 수분으로부터 소자를 보호하는 데 응용할 수 있다.  

반면, 페로브스카이트는 장기간 공기에 노출될 경우 수분의 침투로 화학적 불안정성, 광학적-열적 불안정성과 이온들의 이동에 의한 페로브스카이트 물질의 분해 등으로 인해 태양전지 수명과 효율이 현저하게 단축되는 문제점이 있었다. 

따라서 페로브스카이트 태양전지의 실용화를 위해서는 고효율을 유지하며 장기간 안정성을 확보할 수 있는 소재개발이 필요했다. 

이에 한 교수팀은 페로브스카이트 태양전지의 안정성 문제를 해결하고자 화학적으로 안정한 금속산화물을 그래핀에 혼합해 그래핀-산화니켈, 그래핀-산화알루미늄, 페로브스카이트/그래핀-산화니켈 나노복합소재를 제조했다.

특히, 산화니켈을 매개로 페로브스카이트와 그래핀이 화학적으로 결합함으로써 페로브스카이트 태양전지의 광전류밀도를 높이면서 열적, 광학적, 화학적 안정성을 획기적으로 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다.

이번에 개발한 그래핀 기반의 나노복합소재와 산화니켈 계면을 적용한 페로브스카이트 태양전지는 전기적 특성이 우수해 최대 이론값의 95.2%에 해당하는 높은 광전류밀도(25.9 mA/cm2)와 효율 20.8% 이상의 고성능 태양전지를 제조할 수 있었다. 

더불어 페로브스카이트 태양전지의 열적, 광학적 안정성과 공기에 대한 안정성이 크게 향상됐으며, 대기조건에서 310일이 지나도 태양전지 효율이 97% 이상 안정적으로 유지되는 결과를 얻을 수 있었다. 

이번 연구 결과는 페로브스카이트-그래핀-금속산화물 기반의 기능성 나노복합소재를 적용해 페로브스카이트 태양전지의 실용화에 걸림돌이 되고 있는 안정성 문제에 대한 해결책을 제시했다는 점에서 의미가 크다. 

한편, 이번 연구에는 한 교수와 왕유셍 박사, 타미네 마흐모디 박사가 참여했으며 한국연구재단의 중견연구자사업의 지원을 받아 수행됐다. 

/장은성 기자