[전북소비자저널=최훈 기자] 전북대학교와 경상국립대학교 공동 연구팀이 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있는 혁신적인 ‘콜로이드 잉크 기반 대면적 코팅 기술’을 개발했다. 이 기술은 페로브스카이트 태양전지의 효율과 안정성을 동시에 향상시켜 대면적 모듈 제작에 적합하다.
이번 연구 성과는 재료과학 분야의 권위 있는 학술지인 『어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)』 최신호에 게재됐다.
페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지의 대안으로 주목받고 있지만, 대면적 모듈 제작에 필요한 잉크 개발과 공정 기술에 한계가 있었다. 특히 소형 소자에서는 26% 이상의 높은 효율을 달성했으나, 이를 대면적으로 확장하는 과정에서 효율이 크게 감소하는 문제가 있었다.
전북대(나석인 교수, 권성남 연구교수, 상레이 수휠 박사과정)와 경상국립대(이태경 교수, 손수현 석사과정, 박상욱 석사과정) 공동연구팀은 이러한 문제를 해결키 위해 반용매인 톨루엔(TL)과 클로로벤젠(CB)을 포함하는 콜로이드 잉크 기술을 개발했다. 이 기술은 슬롯-다이(slot-die) 공정을 통해 고효율·고안정성 페로브스카이트 태양전지와 모듈 제작을 가능케 했다.
연구팀이 개발한 콜로이드 잉크는 페로브스카이트 잉크의 유변학적 특성을 크게 개선한다. 특히 표면장력과 점도를 낮춰 젖음성을 향상시키고 고품질 필름 형성을 촉진한다.
연구팀은 “콜로이드 잉크에 형성된 큰 콜로이드 입자들은 이종 핵생성을 촉진하고 결정화에 필요한 활성화 에너지를 낮춰 우수한 결정 성장과 필름 형태를 만든다”며 이번 연구 성과에 대해 설명했다.
또한 콜로이드 잉크에 포함된 반용매가 페로브스카이트 전구체의 결합 에너지를 강화하고 DMSO 배위를 약화시켜 페로브스카이트 결정화에 더 유리한 열역학적 조건을 제공한다고 했다. 이러한 메커니즘은 밀도범함수이론(DFT) 계산을 통해 검증되었으며, 결정화 과정이 더 열역학적으로 유리하게 진행됨을 확인했다.
개발된 콜로이드 잉크를 활용해 슬롯-다이 공정을 통해 제작된 태양전지는 최대 21.32%의 효율을 달성했으며, 10,115시간(약 14개월) 동안 초기 효율의 77%를 유지하는 놀라운 장기 안정성을 보였다. 이는 기존 방식으로 제작된 태양전지가 같은 기간 동안 초기 효율의 50%만 유지한 것과 비교하면 큰 진전이다.
더 중요한 것은 이 기술의 확장성이다. 연구팀은 2.7cm²크기의 실험실 규모 미니모듈에서 20.26%의 효율을, 8.64cm²크기의 대면적 미니모듈에서 19.15%의 효율을 달성했다. 이는 대면적으로 확장해도 효율 손실이 적다는 것을 의미하며, 상용화 가능성을 크게 높인 결과다.
연구를 주도한 권성남 연구교수는 “이번 연구를 통해 잉크 조성, 유변학적 특성, 필름 품질, 결정화 과정, 그리고 최종 소자 성능 사이의 복잡한 상관관계를 보다 명확하게 규명할 수 있었다”며 “특히 우리가 개발한 콜로이드 잉크 기반의 슬롯-다이 공정 기술은 고효율과 고안정성을 동시에 갖춘 페로브스카이트 태양전지와 모듈의 상용화를 크게 앞당길 것”이라고 연구 의의를 설명했다.
이 연구 결과는 재생에너지 분야에서 큰 발전을 이룰 것으로 기대되며, 특히 페로브스카이트 태양전지의 대량 생산과 상용화를 앞당기는 데 기여할 것으로 전망된다.
한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국전력공사, 경상국립대학교의 글로컬대학30 사업의 지원을 받아 수행됐다.
