고효율 페로브스카이트 태양전지 및 롤투롤 공정 개발
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고효율 페로브스카이트 태양전지 및 롤투롤 공정 개발
  • 최경주 기자
  • 승인 2020.11.17 15:01
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화학연 "향후 자동차, 휴대용 전자기기 등에 활용"

 

새롭게 개발된 유연 페로브스카이트 태양전지의 모식도(화학연 제공)
새롭게 개발된 유연 페로브스카이트 태양전지의 모식도(화학연 제공)

한국화학연구원(이하 화학연)이 가볍고 유연하면서도 효율이 높은 페로브스카이트 태양전지 기술을 개발했다.

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, 전세계에서 처음으로 파일럿 스케일에서 구현했다.

한국화학연구원 페로브스카이트 태양전지 연구팀(서장원 책임연구원·신성식 선임연구원·정재훈 전 박사후연구원)은 미래 착용형(웨어러블) 기기, 건물, 자동차 등에도 활용을 넓히기 위해 유연한 페로브스카이트 태양전지 효율로 세계 최고 수준인 20.7%를 달성했다고 17일 밝혔다. 

페로브스카이트를 유연하게 제작하기 위해서는 잘 휘어지는 고분자 기판 위에 만들어야 하는데, 이 경우 고온공정으로 제작할 수 없어서 효율을 높이는 데 지금까지 한계가 있었다. 연구팀은 낮은 온도로도 효율을 높일 수 있는 새로운 기술을 개발했다.

연구팀은 태양전지를 구성하는 층 중에서, 전자를 이동시키는 전자수송층을 신규 이중층 구조로 만드는 기술을 개발했다.

또한 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 보다 잘 수송하는 데 도움을 줄 수 있다.

태양전지의 효율은 결국 빛을 받으면 전자가 얼마나 많이 잘 이동하는가에 달려있는데, 20x20 cm2의 대면적에서도 유연 페로브스카이트 태양전지를 구현했다. 

세계 최초로 파일럿 스케일에서 전극 층을 제외한 모든 층을 롤투롤 그라비아 프린팅을 통해 제작하는 모식도와 실제 공정 사진, 그리고 완성된 롤의 사진(화학연 제공)
세계 최초로 파일럿 스케일에서 전극 층을 제외한 모든 층을 롤투롤 그라비아 프린팅을 통해 제작하는 모식도와 실제 공정 사진, 그리고 완성된 롤의 사진(화학연 제공)

또한 화학연 페로브스카이트 태양전지 연구팀(서장원 책임연구원, 김영윤 선임연구원)화학연 연구팀은 유연한 페로브스카이트 태양전지를 신문을 인쇄하듯 그라비아 프린팅(특정 패턴이 새겨진 금속 프린터에 잉크를 묻혀 인쇄하는 방법)으로 빠른 속도로 저렴하게 대량 생산할 수 있는 롤투롤 공정 기술을 개발했다.  이 기술은 향후 고효율 소재에도 확대 적용할 계획이다.  

연구책임자 서장원 단장은 “현재, 유연 태양전지의 세계최고효율은 무기박막 태양전지에서 20.8%(스위스 EMPA)의 효율을 보고하고 있어 본 연구결과는 이에 비견될 만한 매우 우수한 결과"라며 "유연 페로브스카이트 태양전지는 롤투롤 용액 공정으로 만들 수 있어 저렴하고 가벼우며 곡선에도 부착할 수 있다는 장점이 있으며 향후 자동차, 휴대용 전자기기 등에 활용할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다. 


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