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5배 더 빨리, 2배 더 큰 면적을 생산하는 유연 페로브스카이트 태양전지 롤투롤 공정 기술 개발

작성자대외협력실(김도균) 조회수8,806 등록일2024-11-11

- 차세대 유연 페로브스카이트 태양전지 상용화 앞당기는 롤투롤 기반 제조 공정 기술 개발
- 건물 일체형 태양광 발전, 자동차용 선루프 태양전지 등 신재생 에너지 분야의 사업화 기술 적용 기대

□ 국내 연구진이 유연 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 앞당길 수 있는 롤투롤 기반 제조 플랫폼 공정 기술을 개발했다.

○ 한국화학연구원 함동석 박사, 전북대학교 김민 교수 공동연구팀은 초고속 광소결 방법을 활용하여 기존 롤투롤 제조 공정시간을

5배 이상 감축하면서도 기존 연구에서 보고된 기술보다 2배 이상의 규모인 100cm2 모듈급 롤투롤 대면적 제조공정을 개발하였다.

□ 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 지적되어 왔다.

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

* 백만 분의 1초(마이크로초, μs) 단위의 짧은 시간 동안 강한 빛을 조사하여, 하부 기재 손상 없이 페로브스카이트 층을 빠르게 열처리하는 기술

○ 일반적으로 슬롯다이 코팅법을 이용하여 요오드화 납(PbI2)을 먼저 코팅한 후, 요오드화 포름암미디늄(FAI)을 순차적으로 코팅하는 방식으로

페로브스카이트 막을 제조한다.

○ 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 추가하였다.

○ 개발된 공정은 기존 롤투롤 공정에서 반드시 필요한 10분 이상의 열처리 시간을 2분으로 단축하면서도 100cm² 이상의 대형 유연 모듈 제작이

가능해져, 상업적 적용 가능성도 크게 확대되었다.

○ 한편 연구팀은 유연 태양전지의 수명을 대폭 향상시키기 위해 기존의 딱딱한 유리 기반 봉지기술*을 발전시켜, 투명 전극과 보호 성능을 모두 갖춘

유연 필름 소재를 적용한 새로운 봉지기술도 개발하였다.

* 수분 및 산소가 침투하지 못하게 하는 코팅층을 도입하여 외부 환경으로부터 소자를 보호함으로써 수명을 연장하는 공정 기술

○ 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 응용하여 향후 다양한 산업에 적용될 수 있을 것으로 기대된다."라고 말했다.

○ 본 연구는 과학기술 분야 국제학술지인 에이씨에스 어플라이드 머티리얼스 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)와

솔라 알알엘(Solar RRL)에 각각 5월 속표지(Supplementary Cover)와 7월 겉표지(Front cover) 논문에 연달아 게재되었다.

○ 이번 연구는 한국화학연구원 기본사업의 지원을 받아 수행되었다.