한국화학연구원의 조성근(왼쪽부터) 화학소재솔루션센터장, 박건영 연구생, 함동석 박사, 김민재 학생연구원, 한나라 박사 [한국화학연구원 제공]

국내 연구진이 유연 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 앞당길 수 있는 롤투롤 기반 제조 플랫폼 공정 기술을 개발했다.

한국화학연구원은 함동석 박사와 김민 전북대 화학공학부 교수 공동연구팀이 초고속 광소결 방법을 활용, 기존 롤투롤 제조 공정시간을 5배 이상 감축하면서도 기존보다 2배 이상의 규모인 100㎠ 모듈급 롤투롤 대면적 제조공정을 개발했다고 11일 밝혔다.

유연 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 기반의 태양전지에 비해서 가볍고 유연성이 뛰어나 건물 일체형 태양광 발전, 자동차용 선루프 태양전지, IoT(사물인터넷)용 배터리 전원 등 많은 분야에 활용이 가능하다.

기존 유연 페로브스카이트 태양전지 제작 방식은 비연속적인 배치형 코팅 방식을 많이 활용했지만, 대량생산을 위해서는 반드시 롤투롤 코팅 공정을 거쳐야 한다. 그러나 롤투롤 공정은 일반 배치 공정과 달리 정해진 크기의 건조장치 내에서 샘플이 이동하기 때문에, 오랜 시간 동안 건조장치에 머물며 열처리하기가 어려워 반드시 해결해야 할 문제로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 초고속 광소결 기술(IPL)을 도입한 새로운 대면적 롤투롤 제조 공정을 개발했다. 일반적으로 슬롯다이 코팅법을 이용하여 요오드화납(PbI₂)을 먼저 코팅한 후, 요오드화포름암미디늄(FAI)을 순차적으로 코팅하는 방식으로 페로브스카이트 막을 제조한다.

이때 연구팀은 기존의 길고 고온의 열처리 과정을 대신해 초고속으로 강한 빛을 조사하는 IPL 공정을 적용했다. 이때 더 많은 빛을 흡수하여 IPL 공정의 효율을 높여줄 수 있는 ‘세슘 포르 메이트’ 첨가제를 요오드화납에 추가했다.

개발된 공정은 기존 롤투롤 공정에서 반드시 필요한 10분 이상의 열처리 시간을 2분으로 단축하면서도 100㎠ 이상의 대형 유연 모듈 제작이 가능해져, 상업적 적용 가능성도 크게 확대됐다. 또 연구팀은 유연 태양전지의 수명을 대폭 향상시키기 위해 기존의 딱딱한 유리 기반 봉지 소재 대신 투명 전극과 보호 성능을 모두 갖춘 유연 필름 소재를 적용한 새로운 봉지기술도 개발했다. 새로운 봉지기술은 기존 봉지필름 보다 40% 수준으로 얇아 25% 이상 유연한 특성을 보였다.

함 박사는 “이번 연구는 롤투롤 코팅 공정에 필요한 공정시간의 단축, 안정상 향상 측면에서 사업화를 위한 신공정 개발에 큰 의의가 있다”며 “이 기술을 응용해 향후 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이번 연구 성과는 국제 학술지 ‘에이씨에스 어플라이드 머티리얼스 앤드 인터페이스’와 ‘솔라 알알엘’ 최신호에 각각 게재됐다.

구본혁 기자

nbgkoo@heraldcorp.com

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