5배 더 빠르고, 2배 더 큰 면적으로 페로브스카이트 태양전지 만든다

[이데일리 강민구 기자] 한국화학연구원과 전북대 연구진이 유연 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 앞당길 수 있는 롤투롤 기반 제조 플랫폼 공정 기술을 선보였다.

함동석 화학연 박사, 김민 전북대 교수 공동연구팀은 초고속 광소결 방법을 활용해 기존 롤투롤 제조 공정시간을 5배 이상 줄이면서도 기존 연구에서 보고된 기술의 2배 이상의 규모인 100㎠ 모듈급 롤투롤 대면적 제조공정을 개발했다.

롤투롤 기반의 초고속 대면적 페로브스카이트 필름 제작법을 개발한 연구팀.(왼쪽부터 조성근 센터장, 박건영 학생연구원, 함동석 박사, 김민재 학생연구원.(사진=한국화학연구원)

유연 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 기반의 태양전지에 비해 가볍고 유연성이 뛰어나다. 건물 일체형 태양광 발전, 자동차용 지붕창(선루프) 태양전지나 사물인터넷(IoT)용 배터리 등에 활용할 수 있다.

기존 유연 페로브스카이트 태양전지 제작 방식은 배치형 코팅 방식을 많이 활용하였는데, 대량생산을 하려면 반드시 롤투롤 코팅 공정을 거쳐야 한다.

그러나 롤투롤 공정은 일반 배치 공정과 달리 정해진 크기의 건조장치 내에서 시료가 이동해야 한다. 따라서 오랜 시간 동안 건조장치에 머물며 열처리하기가 어려웠다.

이에 연구팀은 초고속 광소결 기술(백만 분의 1초 동안 강한 빛을 쏴서 손상 없이 페로브스카이트층을 열처리하는 기술)을 도입해 새로운 대면적 롤투롤 제조 공정을 개발했다.

개발된 공정은 기존 롤투롤 공정에서 반드시 필요한 10분 이상의 열처리 시간을 2분으로 줄였다. 그러면서도 100㎠이 넘는 대형 유연 모듈을 제작할 수 있어 상업적 적용 가능성을 높였다.

연구팀은 유연 태양전지의 수명을 늘리기 위해 기존 딱딱한 유리 기반 봉지기술을 발전시켜 투명 전극과 보호 성능을 모두 갖춘 유연 필름 소재를 적용한 새로운 봉지기술도 개발했다.

새로운 봉지기술을 적용한 필름은 기존 봉지필름 보다 40% 수준으로 얇아 25% 이상 유연한 특성을 보였다. 특히 60도의 고온, 90%의 고습도 환경에서도 태양전지의 내구성을 유지해 장기간 안정적으로 작동하는 것으로 나타났다.

함동석 화학연 박사는 “롤투롤 코팅 공정에 필요한 공정시간 단축, 안정성 향상 측면에서 사업화를 위한 신공정을 개발했다는 의미가 있다”며 “앞으로 다양한 사업에 적용되길 기대한다”고 말했다.

연구 결과는 국제학술지 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼스앤인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’와 ‘솔라 알알엘(Solar RRL)’에 각각 5월 속표지와 7월 겉표지 논문으로 게재됐다.