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화공 박태호 교수팀, ‘페퍼민트오일-호두향 식품첨가제’로 ‘납 누출 막는’ 페로브스카이트 태양전지 만든다

2020-02-13 500

[페퍼민트 오일, 호두향 식품첨가제를 이용한 친환경 용매 공정이 가능하고 납 누출 막는 정공전달 고분자 개발]

지구에 도달하는 태양에너지는 약1억2500만 기가와트(Gw)에 이른다. 1년 동안의 태양에너지를 석유로 환산하면 100조 톤, 전 세계가 1년간 쓰는 석유에너지의 1만 배에 달한다. “30초 동안에 지구에 도달하는 태양광만으로 전 인류가 48시간 내내 사용할 수 있는 에너지가 된다”는 광고 카피 역시 과장이 아니다. 이 같은 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 발전 기술이 태양전지 기술인데, 기존 페로브스카이트 태양전지의 생산 공정에서 발생하는 환경 문제를 해결할 친환경 유기 전자 소재 기술이 개발됐다.

화학공학과 박태호 교수·통합과정 이준우씨 팀은 고효율 페로브스카이트 태양전지를 제작할 때 ‘에틸렌 글라이콜 겹사슬’을 도입하여 페퍼민트오일에 녹는 정공전달 고분자 물질(Alkoxy-PTEG)을 개발했다. 또한, 이 고분자 물질이 노화된 페브로브스카이트에서 누출되는 납을 잡고 있는 것을 확인했다.

태양전지의 핵심 소재는 태양광을 흡수해 전자를 생산하는 광활성층에 있다. 페로브스카이트는 결정구조를 갖는 물질을 광활성층으로 쓰는데, 값싼 무기물과 유기물을 사용함으로써 빛을 매우 잘 흡수하는 것이 특징이다. 이 때문에 ‘차세대 태양전지’라고도 불린다. 문제는 이 태양전지에 쓰이는 전하수송층 유기물질이 공정과정에서 독성이 있는 화학 용매를 사용하기 때문에 환경오염과 인체에 피해를 줄 수 있어 대량생산이 어렵다. 또한 페로브스카이트 자체가 가지는 납이 노화가 되면 누출된다는 문제도 있다.

이번에 개발된 고분자 물질은 페퍼민트오일(3-메틸사이클로헥사논)이나 호두향식품첨가제(2-메틸아니졸)에 녹을 수 있도록 분자를 설계, 합성했다. 이는 기존의 화학 용매를 대체할 수 있어 친환경 공정이 가능하다.

연구팀은 화학 첨가제 없이 페퍼민트오일을 용매로 사용한 페로브스카이트 태양전지 공정을 통해 19.9%의 효율을 얻었고, 호두향식품첨가제를 용매로 사용했을 때는 21.2%의 효율을 얻었다. 뿐만 아니라 기존 페로브스카이트는 수분에 취약하여 물이 존재할 경우 광전변화효율이 급격히 감소해 안정성이 떨어진다는 단점이 있었는데, 이번에 개발된 고분자는 30일이 지나도 88%의 효율을 보유하여 안정성도 뛰어난 것으로 확인됐다.

한편, 자기공명분석을 통하여 노화된 페로브스카이트 태양전지에서 에틸렌 글라이콜 곁사슬이 적당한 세기로 납을 머금고 있는 것을 확인했다. 이로써 친환경 용매공정이 가능하고, 노화로 인한 납 누출을 막을 수 있는, 다기능성 정공전달 고분자 개발에 성공했다. 이는 페로브스카이트 구조를 파괴하지 않으면서 누출된 납만을 잡는 것으로, 페로브스카이트의 고질적인 납 누출로 인한 환경오염 문제를 해결하는 방안이 될 수 있을 것으로 기대된다.

연구를 진행한 이준우씨는 “공정과정에서 친환경 용매를 사용하고, 노화된 페로브스카이트 태양전지가 배출하는 납을 고분자 물질로 묶어둔다면 고효율의 페로브스카이트 태양전지의 환경적 문제를 해결하여 대량생산할 수 있다”라며 상용화의 가능성을 제시했다.

박태호 교수는 “독성을 갖는 첨가제를 이용하지 않고 친환경 공정 하에서 세계 최고 효율을 보였다”며 “기존 납을 이용하는 페로브스카이트 태양전지의 인체 피해나 환경적인 문제를 일으키는 납 누출에 대한 해결책이 될 수 있을 것으로 기대한다”라며 기대감을 드러냈다.

이 연구는 과학기술정보통신부 글로벌 프론티어 사업 ‘나노기반소프트일렉트로닉스연구단’의 지원으로 수행됐으며, 에너지 분야 권위지인 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼스(Advanced Energy Materials)’ 최신판 온라인판에 연구성과가 게재돼 주목받고 있다.