[쿠키과학] 유연 페로브스카이트 태양전지 상용화 길 열다

고속 롤투롤 열처리로 생산속도 5배 향상
100㎠ 대면적 생산으로 상업적용 기대
건물 일체형 태양광, 자동차선루프 태양전지 등 신재생 에너지 활용

롤투롤 코팅공정으로 제작한 페로브스카이트 태양전지모듈. 한국화학연구원

페로브스카이트 태양전지는 높은 효율과 저렴한 제조비용과 더불어 가볍고 유연한 특성을 가져 태양광발전은 물론 자동차 선루프 등 다양한 에너지분야에서 활용성이 높다.

그러나 이를 상업화하려면 유연 페로브스카이트 태양전지 연구에서 사용하는 비연속 코팅방법과 달리 연속공정인 롤투롤 기반의 공정기술이 반드시 필요하다.

문제는 이 공정이 정해진 크기의 건조장치 내에서 샘플이 이동하기 때문에 장시간 건조장치에 머물며 열처리를 하기 어렵다는 것.

이를 롤투롤 공정에 적용하려면 이온결합성 물질인 페로브스카이트 소재를 균일하게 도포한 후 긴 열처리공정을 거쳐 페로브스카이트 결정상으로 변화시켜야 한다.

기존 비연속코팅 공정은 페로브스카이트 코팅 후 10분 이상의 열처리로 변환시키는 것이 가능했지만, 연속공정인 롤투롤 공정에서는 열처리 장치 크기의 한계와 낮은 생산속도가 걸림돌이 됐다.

또 유연 태양전지 상업화를 위한 안정성 향상을 위해서는 기존 단단한 유리기판이 아닌 유연한 베리어필름을 태양전지에 합지해 수명을 높이는 봉지기술도 필수로 적용돼야 한다.

유연한 태양전지 상업화 길 열려

한국화학연구원(이하 화학연)  함동석 박사와 전북대 김민 교수 공동연구팀이 초고속 광소결 방법으로 기존 롤투롤 공정시간을 5배 이상 줄인 동시에 기존 연구에서 보고된 기술보다 2배 이상 큰 100㎠ 대면적 제조공정을 개발했다.

롤투롤 연속 공정 기반 대면적 페로브스카이트 슬롯다이 코팅. 한국화학연구원

공동연구팀은 롤투롤 공정에서 장시간 열처리하기 어려운 문제를 극복하기 위해  초고속 광소결기술(IP)을 도입했다.

이 기술은 백만 분의 1초 단위의 짧은 시간에 강한 빛을 비춰 하부기재 손상 없이 페로브스카이트 층을 빠르게 열처리할 수 있다.

공동연구팀은 페로브스카이트 막을 제조할 때 IPL 공정의 효율을 높이도록 세슘포르메이트 첨가제를 요오드화납에 추가했다.

롤투롤 기반 페로브스카이트 태양전지 코팅 개념도. 한국화학연구원

세슘포르메이트 첨가제는 광소결장치의 빛을 더 많이 흡수토록 해 빠른 시간에 고품질 페로브스카이트 층을 형성하는 데 기여한다. 이렇게 개발한 공정은 기존 롤투롤 공정에서 반드시 필요한 10분 이상의 열처리 시간을 2분으로 단축할 수 있다.

이와 함께 100㎠ 이상 대형 유연모듈 제작도 가능해 상업화 가능성을 크게 높였다.

아울러 연구팀은 유연 태양전지의 수명을 늘리기 위해 기존 딱딱한 유리기반 봉지기술을 발전시켜 투명 전극과 보호성능을 모두 갖춘 유연필름 소재를 적용한 새 봉지기술도 개발했다. 이 기술은 수분 및 산소가 침투하지 못하는 코팅층을 도입해 외부 환경에서 소자를 보호하는 것이 핵심이다.

이를 적용한 필름은 두께가 기존 봉지필름의 40% 수준으로 얇고 유연성은 25% 이상 높다. 또 60˚C 고온과 습도 90% 환경에서도 내구성을 유지하며 장기간 안정적으로 작동할 수 있다.

함 박사는 “이번 연구는 롤투롤 코팅공정에 필요한 시간을 단축해 향후 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

한편, 이번 연구는 국제학술지 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼스 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)’ 지난 5월호와 ‘솔라 알알엘(Solar RRL)’ 지난 7월호 표지 논문으로 연달아 게재되며 국제적 관심을 받고 있다.

ACS Applied Materials & Interfaces 지난 5월호 표지논문으로 소개된 초고속 광소결 페로브스카이트 롤투롤 코팅공정. 한국화학연구원

이재형 기자 jh@kukinews.com