세계 최초로 파일럿 스케일에서 전극 층을 제외한 모든 층을 롤투롤 그라비아 프린팅을 통해 제작하는 모습./화학연구원 제공
한국화학연구원 서장원 박사 연구팀이 핀란드 VTT기술연구센터와 함께 PET필름에 그라비아 프린팅 기법을 도입해 페로브스카이트 태양전지를 빠른 속도로 저렴하게 대량 생산할 수 있는 파일럿 규모의 롤투롤 공정을 세계 최초로 제작했다.
세계 최고 수준의 광전효율인 20.7%의 유연한 페로브스카이트 태양전지도 개발했다.
이번 태양전지는 향후 자동차, 휴대용 전자기기, 건물 등에 활용할 수 있을 것으로 기대되고 있다.
연구팀은 롤투롤 공정을 개발해 너비 30㎝, 길이 100m의 PET필름에 페로브스카이트 태양전지를 만들었다.
페로브스카이트 물질은 페로브스카이트가 될 수 있는 앞 단계 물질을 용매에 녹여서 용액 형태로 만든다.
기판 위에 페인트를 칠하듯 도포하면, 용매는 날아가고 페로브스카이트 물질의 결정이 형성되는 방식으로 만들어 왔다.
하지만 이 결정화 과정이 너무 빠르게 일어나 결정의 크기와 모양이 고르게 자라지 않는다는 문제가 있다.
연구팀은 박막 형태로 제작하기 어려워 지난 2014년 비용매를 사용해 페로브스카이트 층을 만드는 방법을 개발했다.
결정화 과정에서 페로브스카이트를 비용매에 순간적으로 접촉시켜서 결정을 고르게 자라게 하는 방법이다.
20x20㎠ 크기로 유연하게 만들어진 페로브스카이트 태양전지./화학연구원 제공
이 비용매접촉법은 현재까지 전세계 페로브스카이트 태양전지 연구에 널리 이용돼고 있다.
하지만 이 비용매가 인체에 유해하고, 비용매 접촉 시간을 몇 초 단위로 세밀하게 조정해야 해서 롤투롤 공정에 적용하기 어렵다는 단점이 있다.
연구팀은 인체에 무해하면서도 공정시간 변수에 크게 구애받지 않는 새로운 비용매 '삼차부틸알코올'을 개발했다.
개발한 기술을 적용해 20x20㎠ 크기로 유연한 페로브스카이트 태양전지를 만들었다.
유연한 기판에 만든 페로브스카이트 태양전지는 지금까지 전세계적으로 광전효율이 20%를 넘지 못했다.
유연한 기판에 만들 때 높은 온도의 제작을 못하기 때문이다.
연구팀은 태양전지를 구성하는 층 가운데 전자를 이동시키는 전자수송층을 신규 이중층 구조로 만들었다.
상대적으로 작은 주석산화물 입자가 촘촘히 들어간 첫 번째 층을 구성하고, 그 위에 큰 주석 아연산화물 입자가 듬성듬성한 다공성 구조로 두 번째 층을 만들었다.
이 다공성 구조체가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 보다 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있었다.
파일럿 규모의 설비시설에서 너비 30㎝, 길이 100m의 페로브스카이트 태양전지 필름을 만들어지는 모습./화학연구원 제공
서장원 박사는 "현재, 페로브스카이트를 포함한 유연 태양전지의 세계최고효율은 무기박막 태양전지에서 20.8%의 광전효율을 보고하고 있어 이번 연구결과는 이에 비견될 만한 매우 우수한 결과"라고 말했다.
관련 연구성과는 에너지·환경 분야 국제학술지 '에너지 & 환경 과학' 11월호에 게재됐다
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