저비용으로 넓은 면적 태양전지 제작 성공

페로브스카이트 태양전지의 대량생산 및 상용화 가능성 높여

한국-호주 공동 연구팀은 저비용으로 넓은 면적의 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지를 만드는데 성공했다고 10일 밝혔다.

이번 연구는 광주과학기술원 김동유 교수와 호주국립과학원 박두진 박사가 주도하고, 광주과기원 황경일 박사과정생이 참여했다.

연구팀은 대면적, 대량생산에 적합한 슬롯다이코팅 공법과 여러 개의 휘어질 수 있는 플라스틱이나 금속박막 형태의 롤위에서 전자소자를 만드는 롤투롤 공정을 통해 페로브스카이트 물질을 제작했다. 페로브스카이트는 빛을 흡수하는 능력이 우수해 높은 광전변환효율을 보이며 물질 원가가 매우 저렴하고 용액공정이 가능해 저비용-고효율 차세대 에너지 소재로 주목 받고 있다.

그러나 현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 초기단계로, 대면적-대량생산이 불가능한 스핀코팅 공정으로 진행되기 때문에 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에만 집중돼 있고, 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구는 거의 진행되고 있지 않다. 페로브스카이트는 물질자체의 특성으로 필름형성단계에서 결정의 크기와 균일도 등을 조절하기 어렵다. 특히 균일도 문제는 기존의 스핀코팅 공정보다 필름형성시간이 긴 대면적코팅 공정에서 더 심각하다. 따라서 연구팀은 필름형성과정에서 질소가스를 사용해 필름의 건조를 촉진시켜 필름형성시간을 줄였다.

또한 기판의 온도 조절로 결정의 크기를 조절하여 수십 나노미터(10억분의 1m)에서 수 마이크로미터(100만분의 1m)까지 페로브스카이트 결정의 크기를 키우고 균일하게 만들었다. 이렇게 만들어진 슬롯다이코팅 기반의 페로브스카이트 태양전지는 스핀코팅의 태양전지와 비슷한 약 12%의 광전변환효율을 보였다.

연구팀은 더 나아가 페로브스카이트 태양전지 소자 제작에 필요한 모든 세부 조건들을 롤투롤 공정에 그대로 적용해 기존 연구용 소자(0.1cm2)보다 400배 큰 40cm2의 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈을 구현했다.

김동유 교수는 “이번 연구는 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 저렴하게 대면적으로 생산할 수 있다는 사실을 이론이 아닌 실제적으로 보여준 사례”라며, “롤투롤 공정 기반 페로브스카이트 태양전지 모듈 제작의 첫 성공이자 상용화를 앞당기는 중요한 초석이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.

한편 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원) 등의 지원으로 수행됐고, 재료공학분야의 권위지인 Advanced Materials 온라인 판(1월 7일자)에 게재됐다.