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국내 연구진이 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지를 신문 인쇄하듯 대량 생산할 수 있는 공정을 개발했음. 페로브스카이트는 차세대 태양전지 소재로 꼽힘. 여기서 한발 더 나가 세계 최고 수준의 광전효율을 낼 수 있게 만들었음. 연구진은 이 태양전지가 잘 휘어지게 만들어져 향후 자동차, 휴대용 전자기기, 건물 등에 활용할 수 있을 것으로 기대하고 있음.

한국화학연구원은 서장원 박사팀이 핀란드 VTT기술연구센터와 함께 PET필름에 그라비아 프린팅으로 빠른 속도로 저렴하게 대량 생산할 수 있는 파일럿 규모의 롤투롤 공정을 세계 최초로 만들었다고 17일 밝혔음. 또한 유연하면서도 광전효율이 20.7%인 페로브스카이트 태양전지를 개발했음.

서장원 박사는 "현재, 페로브스카이트를 포함한 유연 태양전지의 세계최고효율은 무기박막 태양전지에서 20.8%의 광전효율을 보고하고 있어 이번 연구결과는 이에 비견될 만한 매우 우수한 결과"라고 말했음.

■100m 태양전지 필름 생산

연구진은 롤투롤 공정을 개발해 너비 30㎝, 길이 100m의 PET필름에 페로브스카이트 태양전지를 만들었음.

페로브스카이트 물질은 페로브스카이트가 될 수 있는 앞 단계 물질을 용매에 녹여서 용액 형태로 만들고 기판 위에 페인트를 칠하듯 도포하면, 용매는 날아가고 페로브스카이트 물질의 결정이 형성되는 방식으로 만들어 왔음. 이러한 쉽고 간편한 제조방식은 장점으로 꼽혀왔음.

하지만 이 결정화 과정이 너무 빠르게 일어나 결정의 크기와 모양이 고르게 자라지 않는다는 문제점이 있었음. 이러한 문제 때문에 박막 형태로 제작하기 어려워, 한국화학연구원 연구팀은 2014년에 비용매를 사용해서 페로브스카이트 층을 만드는 방법을 개발했음.

결정화 과정에서 페로브스카이트를 비용매에 순간적으로 접촉시켜서 결정을 고르게 자라게 하는 방법임. 이 비용매접촉법은 현재까지 전세계 페로브스카이트 태양전지 연구에 널리 이용돼 오고 있음. 하지만 이 비용매가 인체에 유해하고, 비용매 접촉 시간을 몇 초 단위로 세밀하게 조정해야 해서 롤투롤 공정에 적용하기 어렵다는 단점이 있었음.

연구진은 이 점을 해결하기 위해, 인체에 무해하면서도 공정시간 변수에 크게 구애받지 않는 새로운 비용매 '삼차부틸알코올'을 개발했음.

■잘 휘어지면서도 광전효율은 20.7%

연구진은 이번에 개발한 기술을 적용해 20x20㎠ 크기로 유연한 페로브스카이트 태양전지를 만들었음.

유연한 기판에 만든 페로브스카이트 태양전지는 지금까지 전세계적으로 광전효율이 20%를 넘지 못했음. 그 이유는 유연한 기판에 만들때 높은 온도로 못만들기 때문이었음.

이와 함께 연구진은 태양전지를 구성하는 층 중에서 전자를 이동시키는 전자수송층을 신규 이중층 구조로 만드는 기술도 개발했음.

연구진은 상대적으로 작은 주석산화물 입자가 촘촘히 들어간 첫 번째 층을 구성하고, 그 위에 큰 주석 아연산화물 입자가 듬성듬성하게 있는 다공성 구조로 두 번째 층을 만들었음. 이 다공성 구조체가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자를 보다 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있음.

본 연구 성과는 ‘Energy & Environmental Science’ 지에 게재됨.