가볍고 잘 휘어지는 고효율 페로브스카이트 태양전지 개발

▲▲ 새롭게 개발된 유연 페로브스카이트 태양전지의 모식도. (사진제공=한국화학연구원)

국내 연구진이 세계 최고 수준의 효율에다 가볍고 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지와 롤투롤 공정을 개발해 주목된다.

한국화학연구원(KRICT)은 페로브스카이트 태양전지 연구팀(서장원 책임연구원, 신성식 선임연구원, 정재훈 전 박사후연구원)이 유연하면서도 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발했다고 17일 밝혔다. 페로브스카이트 태양전지는 저렴하고 간단하게 제조할 수 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

미래 착용형(웨어러블) 기기, 건물, 자동차 등에도 활용을 넓히려면 유연한 형태의 태양전지가 필요하다. 연구팀은 이를 위해 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 유연한 페로브스카이트 태양전지는 유리기판으로 만드는 딱딱한 페로브스카이트 태양전지보다 효율이 낮아, 지금까지 전 세계적으로 논문에 보고된 효율은 20%를 넘지 못했다. 연구팀은 유연한 페로브스카이트 태양전지 효율로 세계 최고 수준인 20.7%를 달성했다.

페로브스카이트를 유연하게 제작하기 위해서는 잘 휘어지는 고분자 기판 위에 만들어야 한다. 이 경우 고온공정으로 제작할 수 없어서 효율을 높이는 데 지금까지 한계가 있었다. 연구팀은 낮은 온도로도 효율을 높일 수 있는 새로운 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. 이러한 다공성 구조체가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 더욱 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있었다.

연구팀은 또 핀란드의 연구소인 VTT Technical Research Centre of Finland와 함께, 유연한 페로브스카이트 태양전지를 신문을 인쇄하듯 그라비아 프린팅으로 빠른 속도로 저렴하게 대량 생산할 수 있는 롤투롤 공정 기술을 개발하고, 전 세계에서 처음으로 파일럿 스케일에서 구현했다. 향후 고효율 소재에도 확대 적용할 계획이다.

연구 성과는 에너지 소재 분야 권위지인 ‘네이처 커뮤니케이션스(Nature Communications)’ 10월호에 게재됐다.

▲세계 최초로 파일럿 스케일에서 전극 층을 제외한 모든 층을 롤투롤 그라비아 프린팅을 통해 제작하는 모식도와 실제 공정 및 완성된 롤의 모습. (사진제공=한국화학연구원)