저(低)가격 대(大)면적

차세대 태양전지(페로브스카이트) 제작 

- 페로브스카이트 태양전지의 대량생산 및 상용화 가능성 높여 -

 

 

 

□ 한국-호주 공동 연구팀이 슬롯다이코팅* 공법과 롤투롤 공정**을 통해 가격은 낮추고 면적은 넓힌 페로브스카이트*** 태양전지를 만드는데 성공했다.

 

* 슬롯다이코팅(Slot-die coating) : 금형 판(슬롯다이) 사이로 용액을 주입, 공급되는 물질을 일정한 두께의 박막으로 기판 위에 코팅하는 방법. 용액 기반의 연속공정이 가능하며 대면적, 대량생산에 적합

** 롤투롤 공정(Roll-to-Roll process): 여러 개의 휘어질 수 있는 플라스틱이나 금속박막 형태의 롤 위에서 전자소자를 만드는 공정. 용액공정과 연속공정이 가능해 대면적을 저가의 비용으로 생산할 수 있는 미래형 공정 기술

*** 페로브스카이트(Perovskite) : 높은 흡광계수와 뛰어난 전하 전이능력을 지닌 화합물로, 물질 단가가 저렴하고 저가의 용액 공정이 가능하여 고효율의 차세대 태양전지 분야를 주도하고 있는 물질

 

  o 광주과기원 김동유 교수와 호주국립과학원 박두진 박사가 주도하고, 광주과기원 황경일 박사과정생(제1저자)이 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원) 등의 지원으로 수행되었고, 재료공학분야의 권위지인 Advanced Materials 온라인 판(1월 7일자)에 게재되었다.

 

* 논문명 : Toward Large Scale Roll-to-Roll Production of Fully Printed Perovskite Solar Cells

 

□ 우수한 광(光)흡수성으로 높은 광전변환효율*을 보이는 페로브스카이트는 물질 원가가 매우 저렴하고 용액공정이 가능하여 저비용-고효율 차세대 에너지 소재로 주목받고 있다.

 

* 광전변환효율: 빛을 받았을 때 전기를 얼마나 효율적으로 생성할 수 있는지를 의미하는 지표

  o 그러나 현재 페로브스카이트 태양전지 연구는 아직 초기단계로, 대면적-대량생산이 불가능한 스핀코팅* 공정으로 진행되기 때문에 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에만 집중되어 있고, 대면적-대량생산 등 상용화를 위한 연구는 거의 진행되고 있지 않다.

 

* 스핀코팅(Spin coating): 박막을 제작할 물질의 용액을 기판 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법. 주로 연구실 수준의 작은 소자 제작 시 사용

 

 

 

 

(그림 1)슬롯다이코팅 공정을 이용하여 제작된 페로브스카이트 필름의 표면. 정육면체 형태의 잘 성장된 페로브스카이트 결정을 확인가능 (오른쪽 위)

 

 

□ 연구팀은 스핀코팅 대신 슬롯다이코팅 공정을 도입해 처음으로 소자 내 모든 영역이 슬롯다이코팅된 페로브스카이트 태양전지를 제작하였다.

 

  o 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.

 

  o 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.

 

  o 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 구현하였다.

 

 

(그림 2) 슬롯다이코팅 공법으로 제작한 페로브스카이트 태양전지 모듈의 롤투롤 공정 제작 모습 (왼쪽). 롤투롤 공정으로 생산된 플렉시블 페로브스카이트 태양전지 대면적(40 cm2) 모듈 사진 (오른쪽).

 

 

□ 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.     <끝>

 

 

홍보기금팀