효율높고 대면적 제조가능한 '태양전지 반사방지 코팅' 기술개발

화학연구원, 빛 투과율 높여 태양전지 효율 향상
시험결과 전지 효율 1.13%p↑, 대면적 상용화 가능
차량용 디스플레이 등에 응용, 국제학술지 표지논문 게재

[대전=뉴시스] 스퍼터링 코팅 공정 개념 *재판매 및 DB 금지

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 빛을 잘 투과시켜 태양전지 효율을 높이면서 대면적으로 제조할 수 있는 반사방지 코팅소재 기술이 국내연구진에 의해 개발됐다.

한국화학연구원은 이상진 박사가 UNIST 김진영 교수팀과 공동연구를 통해 효율과 대면적화를 동시에 확보할 수 있는 코팅기술을 확보했다고 24일 밝혔다.

이 새로운 태양전지용 반사방지 코팅 소재는 향후 다양한 종류의 태양전지에 상용화될 수 있으며 스마트폰, 컴퓨터 등 첨단 디스플레이의 빛 반사방지 코팅 소재로도 응용될 것으로 기대된다.

태양전지는 빛에너지를 전기에너지로 바꿔주는 원리로 구동되기 때문에 반사되지 않고 투과되는 빛의 양이 많을수록 태양전지 효율이 높아진다.

태양전지의 반사방지 코팅 필름은 전체 빛 투과율을 높여 태양전지의 효율을 높일 수 있는 중요한 소재지만 투과율을 높이면서 대면적화가 가능한 반사방지 코팅 소재는 만들기 어려워 코팅 대신 특정 필름을 제조, 기판 위 추가로 붙이는 복잡한 공정을 거치고 있다.

반사방지 코팅 소재는 대부분 박막 형태의 아주 얇은 필름으로, 원재료 덩어리로부터 얇은 필름을 만들기 위해 상용화 과정에서 얇은 막 형태로 부착하는 공정인 '스퍼터링'이 필수적이다. 스퍼터링 공정은 전기를 사용하므로 전기가 잘 통하지 않는 재료는 상용화에 적합하지 않다.

반사방지를 위해서는 빛의 굴절률이 낮은 소재가 필요한데 이런 소재들은 대부분 전기가 잘 통하지 않아 스퍼터링 공정에 고주파 전원을 도입해 코팅한다.

하지만 고주파 방식은 넓은 공간에 높은 에너지를 균일하게 주입키 힘들어 대면적 양산 코팅 공정에 적용하기가 매우 어렵다. 이로 굴절율이 낮아 빛 투과율을 향상시키면서도 스퍼터링 공정을 활용해 대면적으로 만들 수 있는 코팅 소재 개발이 필요하다.

이번에 공동 연구팀은 불소 고분자 소재에 전도성 첨가제를 주입하는 방식으로 태양전지 효율을 높이면서 대면적 상용화가 가능한 새로운 코팅 소재 기술을 개발했다.

불소 고분자 소재는 빛 투과율이 높고 굴절률이 매우 낮다. 연구팀은 불소 고분자 소재에 높은 전도성 물질인 탄소나노튜브를 첨가해 새로운 코팅 소재를 만들어 전기가 잘 통하도록 했다.

이 소재는 상용화에 걸림돌이던 고주파 스퍼터링 방식이 전혀 필요 없고 일반 스퍼터링 방식을 사용하기 때문에 대면적으로 코팅 필름을 쉽게 제조할 수 있다.

[대전=뉴시스] 화학연구원 연구진이 롤투롤 스퍼터링 공정으로 제작된 대면적 반사방지 필름을 들고 있다. *재판매 및 DB 금지

또 연구팀은 코팅 과정에서 소재 속의 불소물질이 태양전지에 도핑되면 전지의 효율향상에 도움이 된다는 것을 확인하고 스퍼터링 공정 때 비스듬히 기울여 코팅해 코팅 소재 속의 불소물질이 태양전지의 전하수송층에 일부 스며들게 했다.

이를 통해 태양전지의 전하 이동도가 코팅 전보다 45% 향상됐으며 새로운 코팅 소재는 발수성능이 좋아 비가 오면 태양전지 표면을 스스로 깨끗하게 세척하는 효과도 갖는다.

개발된 코팅 소재를 페로브스카이트 태양전지에 적용해 시험한 결과, 유리 기판의 가시광선 영역에서 평균 빛 투과율이 3.2%p 높아졌고 최종 태양전지의 효율이 적용 전 24.17%에서 적용 후 25.30% 효율로 1.13%p가 증가했다.

이어 연구팀은 해당 기술을 바탕으로 보유 중인 스퍼터링 공정 장비와 롤투롤 장비를 통해 필름 폭이 700㎜인 파일럿 스케일 수준의 롤투롤 연속 코팅 소재 시범 제조 기술을 확보했다.

이번 연구결과는 과학기술 분야 국제학술지 '어드밴스드 펑셔널 머티어리얼스(Advanced Functional Materials(IF: 19))' 6월호 표지논문으로 게재됐다. 논문명 Highly Improved Photocurrent Density and Efficiency of Perovskite Solar Cells via Inclined Fluorine Sputtering Process

화학연 이영국 원장은 "반사방지 코팅 소재 시장이 빠르게 커지고 있지만 국내기술이 매우 부족한 상황에서 이번 기술을 확보해 의미가 크다"며 "이 기술은 태양전지를 비롯한 차량용 디스플레이 등 첨단디스플레이 코팅 소재로도 응용 가능해 국내 첨단소재 기술 발전에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 말했다.

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