재료연, 습기에 강한 고내구성 페로브스카이트 태양전지 소재기술 개발

값비싼 설비 없이 공기 중 고효율 태양전지 제조
기계적 내구성 높아 롤러블·웨어러블 적용 기대

습기에 강한 고내구성 페로브스카이트 태양전지 소재 및 공정 기술을 개발한 한국재료연구원 김소연 책임연구원(왼쪽부터), Jahandar Muhammad 선임연구원, Muh Fadhi Albab 박사과정 학생연구원, 임동찬 책임연구원.

한국재료연구원(KIMS·원장 최철진) 에너지·환경재료연구본부 임동찬, 김소연 박사 연구팀이 고습도 공기 중에서도 안정적으로 작동하는 고내구성 유연 페로브스카이트 태양전지 소재와 공정 기술을 개발했다.

별도의 값비싼 설비 없이도 공기 중에서 고효율 태양전지를 제조할 수 있어 생산비용을 크게 줄일 수 있을 것으로 기대된다.

페로브스카이트는 빛 흡수력이 높고 생산비용이 낮으며 얇고 유연한 필름 형태로 만들 수 있어 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 재료로 주목받았다.

다만 습기에 취약한 점이 상용화 걸림돌이었다. 습도를 낮춘 환경이나 불활성 가스 속에서 제조해야 했고 유연한 형태로 만들 때 기계적 내구성을 확보하기 어렵다는 한계도 있었다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 2D 페로브스카이트 소재를 활용해 태양전지 광흡수층 상·하부를 샌드위치처럼 감싸는 결함 패시베이션(표면 보호 처리 기술) 전략을 도입했다. 그 결과 최대 50% 상대습도 환경에서도 고효율·고내구성의 유연한 태양전지 제작에 성공했다.

이 태양전지는 2800시간 동안 85% 이상의 효율을 유지하면서 안정성도 높았다. 굽힘 테스트 1만회를 실시한 후에도 초기 효율의 96%를 유지했고 극한의 전단(옆으로 미는 힘) 및 슬라이딩 테스트에서도 87%의 효율을 보존했다.

이기술은 향후 둘둘 말 수 있는 롤러블 태양전지와 웨어러블 전자기기 시장 확대를 촉진함과 동시에 대면적 연속 생산 공정을 활성화해 국제적인 태양광 기술 경쟁력을 높일 것으로 기대를 모은다.

재료연이 개발한 페로브스카이트 태양전지는 얇고 유연하면서도 내구성이 높은 점이 특징이다.

연구팀은 태양전지의 대면적화 공정 기술을 상용화 수준으로 지속해서 개발하는 한편 국내외 다양한 환경에서 안정적인 내구성과 동시에 생산 비용을 절감할 수 있는 차세대 태양전지 소재 연구도 진행할 예정이다.

임동찬 박사는 “이제 고비용 설비 없이도 공기 중에서 안정적인 고효율 태양전지 제조가 가능해져 생산비용을 대폭 줄일 수 있게 됐다”면서 “특히 유연 소자의 뛰어난 내구성으로 인해 웨어러블 기기, 차량용 태양광 등에 활용이 기대된다”고 말했다.

창원=노동균 기자 defrost@etnews.com