전북대학교와 경상국립대학교 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 혁신적인 ‘콜로이드 잉크 기반 대면적 코팅 기술’을 개발해 화제다. 이 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시켜 대면적 모듈 제작에 적합하다는 평이다.
이번 연구 성과는 재료과학 분야의 권위 있는 학술지인 『어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)』 최신호에 게재됐다.
이에 따르면 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 대안으로 주목받고 있지만, 대면적 모듈 제작에 필요한 잉크 개발과 공정 기술에 한계가 있었다. 특히 소형 소자에서는 26% 이상의 높은 효율을 달성했으나, 이를 대면적으로 확장하는 과정에서 효율이 크게 감소하는 문제가 있었다.
이에 전북대(나석인 교수, 권성남 연구교수, 상레이 수휠 박사과정)와 경상국립대(이태경 교수, 손수현 석사과정, 박상욱 석사과정) 공동연구팀이 이러한 문제를 해결하기 위해 반용매인 톨루엔(TL)과 클로로벤젠(CB)을 포함하는 콜로이드 잉크 기술을 개발한 것이다. 이 기술은 슬롯-다이(slot-die) 공정을 통해 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지와 모듈 제작을 가능케 했다.
연구팀이 개발한 콜로이드 잉크는 페로브스카이트 잉크의 유변학적 특성을 개선시키는 효과가 있다.
연구팀은 “콜로이드 잉크에 형성된 큰 콜로이드 입자들은 이종 핵생성을 촉진하고 결정화에 필요한 활성화 에너지를 낮춰 우수한 결정 성장과 필름 형태를 만든다”고 설명했다.
이번에 개발된 콜로이드 잉크를 활용해 슬롯-다이 공정을 통해 제작된 태양전지는 최대 21.32%의 효율을 달성했으며, 10,115시간(약 14개월) 동안 초기 효율의 77%를 유지하는 놀라운 장기 안정성을 보였다.
더 중요한 것은 이 기술의 확장성이다. 연구팀은 2.7cm²크기의 실험실 규모 미니모듈에서 20.26%의 효율을, 8.64cm²크기의 대면적 미니모듈에서 19.15%의 효율을 달성했다. 이는 대면적으로 확장해도 효율 손실이 적다는 것을 의미하며, 상용화 가능성을 크게 높인 결과다.
연구를 주도한 권성남 연구교수는 “이번 연구를 통해 잉크 조성, 유변학적 특성, 필름 품질, 결정화 과정, 그리고 최종 소자 성능 사이의 복잡한 상관관계를 보다 명확하게 규명할 수 있었다”며 “특히 우리가 개발한 콜로이드 잉크 기반의 슬롯-다이 공정 기술은 고효율과 고안정성을 동시에 갖춘 페로브스카이트 태양전지와 모듈의 상용화를 크게 앞당길 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국전력공사, 경상국립대학교의 글로컬대학30 사업의 지원을 받아 수행됐다.
/장은성 기자
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