빠르게 인쇄 가능한 ‘롤투롤 공정’도 개발
국내 연구진이 유연하면서도 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발했다.
한국화학연구원 페로브스카이트 태양전지 연구팀이 유연 페로브스카이트 태양전지의 효율을 높이고, 저렴하게 대량으로 만들 수 있는 ‘롤투롤 용액 공정’을 개발했다고 17일 밝혔다. 이번 신기술은 자동차, 휴대용 전자기기 등은 물론, 미래 웨어러블(착용형) 기기 등에 활용될 것으로 기대된다.
페로브스카이트는 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 물질이다.
지금까지 미국재생에너지연구소(NREL)에 기록된 전 세계 페로브스카이트 태양전지 기술 효율은 대부분 딱딱하고 두꺼운 유리기판으로 만들어진 것이다.
지금까지 연구성과를 보면 구부러지는 유연한 형태는 딱딱한 페로브스카이트 태양전지보다 효율이 낮다. 전 세계적으로 논문에 보고된 효율은 20%를 넘지 못했다.
연구팀이 이번에 개발한 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지의 효율은 이를 넘어선 20.7%이다.
페로브스카이트를 유연하게 제작하기 위해서는 잘 휘어지는 고분자 기판 위에 만들어야 한다. 이 경우 고온 공정으로 제작할 수 없어서 효율을 높이는 데 한계가 있다. 낮은 온도로도 효율을 높일 수 있는 새로운 기술이 필요한 것이다.
이에 연구팀은 태양전지를 구성하는 층 중에서 전자를 이동시키는 ‘전자수송층’을 이중 층 구조로 만드는 기술을 개발했다.
연구팀은 “상대적으로 작은 주석산화물(SnO2) 입자가 촘촘히 들어간 첫 번째 층을 구성하고 그 위에 큰 주석 아연산화물(Zn2SnO4) 입자가 듬성듬성하게 있는 다공성 구조로 두 번째 층을 만들었다”고 설명했다.
이러한 다공성 구조체가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 보다 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있었다. 연구팀이 개발한 전자수송층을 통해 20.7% 효율을 달성했다. 현재 유연 태양전지의 세계 최고 효율은 무기박막 태양전지에서 20.8%(스위스 EMPA)이다. 이번 연구결과는 이에 비견될 만한 매우 우수한 결과라는 평가다.
또 연구팀은 20x20제곱센티미터의 대면적에서도 유연 페로브스카이트 태양전지를 구현할 수 있었다.
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이와 함께 연구팀은 핀란드 연구소인 VTT기술연구센터(Technical Research Centre of Finland)와 함께, 유연한 페로브스카이트 태양전지를 신문 인쇄하듯 그라비아 프린팅으로 빠르고 저렴하게 대량 생산할 수 있는 ‘롤투롤 공정’ 기술을 개발했다. 그라비아 프린팅은 특정 패턴이 새겨진 금속 프린터에 잉크를 묻혀 인쇄하는 방법을 말한다. 향후 고효율 소재로 확대 적용할 계획이다.
