대면적(400cm2)에서의 유연 태양전지 구현 모습.[한국화학연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지로 기대되는 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이고 저렴한 롤투롤 공정에 적용이 가능한 기술을 개발했다.

한국화학연구원 페로브스카이트 태양전지 연구팀은 유연하면서도 20.7%에 달하는 세계 최고 수준 효율을 구현한 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

웨어러블 기기, 건물, 자동차 등에도 활용을 넓히려면 유연한 형태의 태양전지가 필요한데, 연구팀은 이를 위해 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 유연한 페로브스카이트 태양전지는 유리기판으로 만드는 딱딱한 페로브스카이트 태양전지보다 효율이 낮아, 지금까지 전세계적으로 논문에 보고된 효율은 20%를 넘지 못했다. 연구팀은 유연한 페로브스카이트 태양전지 효율로 세계 최고 수준인 20.7%를 달성했다.

페로브스카이트를 유연하게 제작하기 위해서는 잘 휘어지는 고분자 기판 위에 만들어야 하는데, 이 경우 고온공정으로 제작할 수 없어서 효율을 높이는 데 지금까지 한계가 있었다. 연구팀은 낮은 온도로도 효율을 높일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

연구팀은 태양전지를 구성하는 층 중에서, 전자를 이동시키는 전자수송층을 신규 이중층 구조로 만드는 기술을 개발했다.

상대적으로 작은 주석산화물(SnO2) 입자가 촘촘히 들어간 첫 번째 층을 구성하고, 그 위에 큰 주석 아연산화물(Zn2SnO4) 입자가 듬성듬성하게 있는 다공성 구조로 두 번째 층을 만들었다. 이러한 다공성 구조체가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 보다 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있었다.

구체적으로는, 전자수송층 위에 페로브스카이트 층이 올라가는데, 이 전자수송층의 울퉁불퉁한 구조에 영향을 받아 페로브스카이트 층 속 결정이 크고 고르게 자랄 수 있었다. 페로브스카이트 물질의 결정이 크고 고를수록 전자가 잘 이동할 수 있어 태양전지의 효율이 높아진다. 결정이 작으면 결정 사이의 경계면 흠 때문에 전자가 잘 이동하지 못할 수 있기 때문이다.

태양전지의 효율은 결국 빛을 받으면 전자가 얼마나 많이 잘 이동하는가에 달려있는데, 본 연구팀이 개발한 전자수송층을 통해 20.7% 효율을 달성했다. 또한 연구팀은 20x20 cm2의 대면적에서도 유연 페로브스카이트 태양전지를 구현할 수 있었다.

세계 최초로 파일럿 스케일에서 전극 층을 제외한 모든 층을 롤투롤 그라비아 프린팅을 통해 제작하는 모식도와 실제 공정 사진, 그리고 완성된 롤의 사진.[한국화학연구원 제공]

연구팀은 핀란드 연구진과 함께 유연한 페로브스카이트 태양전지를 신문을 인쇄하듯 그라비아 프린팅으로 빠른 속도로 저렴하게 대량 생산할 수 있는 롤투롤 공정 기술을 개발, 세계 최초로 파일럿 스케일에서 구현했다. 향후 고효율 소재에도 확대 적용할 계획이다.

페로브스카이트 물질은 페로브스카이트 전구체 물질을 용매에 녹여서 용액 형태로 만들고 기판 위에 페인트를 칠하듯 도포하면, 용매는 날아가고 페로브스카이트 물질의 결정이 형성되는 방식으로 만들어 왔다. 이러한 쉽고 간편한 제조방식은 장점으로 꼽혀왔다.

연구팀은 인체에 무해하면서도 공정시간 변수에 크게 구애받지 않는 새로운 비용매를 개발했다. 그리고 이를 활용한 롤투롤 공정을 개발해 세계 최초로 파일럿 스케일에서 구현했다.

이번 연구성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 10월호에 게재됐다.

nbgkoo@heraldcorp.com