이번 연구를 수행한 정의혁(왼쪽) 한국에너지공대 교수와 전남중 한국화학연구원 박사.[한국연구재단 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 핵심 소재 기술 확보에 성공했다.

실제 대면적 생산 공정에서 발생하는 성능 편차문제를 해결, 저비용 태양전지 생산이 가능할 것으로 기대된다.

한국연구재단은 한국에너지공과대학교 정의혁 교수와 한국화학연구원 전남중, 이재민 책임연구원 공동 연구팀이 공정속도, 코팅 두께 등 공정 조건 변화에도 안정적으로 작동하는 비정질 계면 패시베이션 소재를 개발했다고 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 기판 위에 용액을 코팅해 비교적 쉽고 저렴하게 대량생산할 수 있는 차세대 태양전지다. 매우 얇은 막으로도 빛을 잘 흡수할 수 있고, 고온·진공 중심의 복잡한 공정이 아니라 낮은 온도와 용액 공정으로도 제작할 수 있다. 쉽게 말해, 기존 실리콘보다 더 얇고 가볍고, 휘어지는 형태나 반투명한 형태로도 만들 가능성이 크다.

이런 특성 덕분에 지붕 위 설치형 태양광을 넘어 건물 외벽, 창호, 자동차 지붕, 실내 센서, 웨어러블 기기, 항공·우주용 전원 같은 새로운 응용처가 열릴 것으로 전망된다.

하지만 공정 조건 변화에 따른 성능 편차 문제가 상용화의 핵심 걸림돌로 지적돼 왔다.

특히 기존 패시베이션 기술은 태양전지 효율 향상에는 효과적이지만, 코팅 두께나 공정 속도 변화에 민감해 대면적 연속 생산 공정에 적용하기 어렵다는 한계가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 분자들이 규칙적인 결정 구조를 형성하지 않도록 설계해 비정질 특성을 갖는 계면 소재(I-4PACz)를 개발했다.

비정질 계면 소재를 활용한 넓은 공정 허용범위를 갖는 페로브스카이트 태양전지 모듈 구현.[한국에너지공과대학교 제공]

개발된 소재를 패시베이션 공정에 실험 적용했을 때, 기존 소재는 농도가 증가할수록 태양전지 효율이 감소한 반면, I-4PACz는 약 10배 수준의 농도 변화에서도 거의 일정한 효율을 유지했다.

태양전지 기판 위에 균일한 박막을 만드는 블레이드 코팅 속도를 달리해도 태양전지 모듈 효율이 안정적으로 유지됨을 확인했다.

또한 24.5cm²크기의 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈에서 21.2%의 매우 높은 광전변환효율을 달성했다.

정의혁 교수는 “이번 연구는 롤투롤 기반 연속 생산 공정과 대면적 태양전지 제조 기술에 활용 가능성이 높아, 페로브스카이트 태양전지 상용화를 앞당길 것”이라면서 “장시간 야외 환경에서의 신뢰성 rjamwdrhk 대귶모 연속 생산 공정 최적화 연구를 진행할 계획”이라고 밝혔다.

과학기술정보통신부와 한국연구재단 지원으로 수행된 이번 연구성과는 에너지 재료 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)’에 5월 11일 온라인 게재됐다.