▲ 페로브스카이트 열처리 공정을 단축시키기 위한 광소결 공정 실험(출처: 한국화학연구원)

국내 연구진이 롤투롤 코팅 공정에 필요한 공정시간을 단축하고 안정성이 향상된 신공정을 개발해 유연 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 앞당길 수 있을 것으로 전망된다.

한국화학연구원은 한국화학연구원 함동석 박사, 전북대학교 김민 교수 공동연구팀이 초고속 광소결 방법을 활용해 기존 롤투롤 제조 공정시간을 5배 이상 감축하면서도 기존 연구에서 보고된 기술보다 2배 이상의 규모인 100cm2 모듈급 롤투롤 대면적 제조공정을 개발했다고 11일 밝혔다.

유연 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 기반의 태양전지에 비해서 가볍고 유연성이 뛰어나 건물 일체형 태양광 발전, 자동차용 선루프(Sunroof) 태양전지, IoT용 배터리 등 많은 분야에 활용이 가능하다.

기존의 유연 페로브스카이트 태양전지 제작 방식은 비연속적인 배치형 코팅 방식을 많이 활용하였는데, 대량생산을 위해서는 반드시 롤투롤 코팅 공정을 거쳐야 한다. 그러나 롤투롤 공정은 일반 배치 공정과 달리 정해진 크기의 건조장치 내에서 샘플이 이동하기 때문에, 오랜 시간 동안 건조장치에 머물며 열처리하기가 어려워 반드시 해결해야 할 문제로 지적돼 왔다.

연구팀은 이러한 한계를 극복하기 위해 초고속 광소결 기술(IPL, intensive pulsed light)을 도입한 새로운 대면적 롤투롤 제조 공정을 개발했다.

이때 연구팀은 기존의 길고 고온의 열처리 과정을 대신해 초고속으로 강한 빛을 조사하는 IPL 공정을 적용하였다. 이때 더 많은 빛을 흡수하여 IPL 공정의 효율을 높여줄 수 있는 ‘세슘 포르 메이트(Cesium formate)’ 첨가제를 요오드화 납에 추가했다.

개발된 공정은 기존 롤투롤 공정에서 반드시 필요한 10분 이상의 열처리 시간을 2분으로 단축하면서도 100cm² 이상의 대형 유연 모듈 제작이 가능해져, 상업적 적용 가능성도 크게 확대됐다.

한편 연구팀은 유연 태양전지의 수명을 대폭 향상시키기 위해 기존의 딱딱한 유리 기반 봉지기술을 발전시켜, 투명 전극과 보호 성능을 모두 갖춘 유연 필름 소재를 적용한 새로운 봉지기술도 개발했다.

새로운 봉지기술을 적용한 필름은 기존 봉지필름 보다 40% 수준으로 얇아 25% 이상 유연한 특성을 보였다. 이를 통해 60˚C의 고온, 90%의 고습도 환경에서도 태양전지의 내구성을 유지해 장기간 안정적으로 작동할 수 있다.

화학연 함동석 박사는 “본 연구는 롤투롤 코팅 공정에 필요한 공정시간의 단축, 안정상 향상 측면에서 사업화를 위한 신공정 개발에 큰 의의가 있으며, 본 기술을 응용해 향후 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.