한국-호주 공동 연구팀이 슬롯다이코팅 공법과 롤투롤 공정을 통해 가격은 낮추고 면적은 넓힌 페로브스카이트 태양전지를 만드는데 성공했다.
광주과학기술원(GIST, 이하 지스트) 김동유 교수와 호주국립과학원 박두진 박사가 주도하고 지스트 황경일 박사과정생이 제1저자로 참여한 이번 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구자지원) 등의 지원으로 수행됐다. 이 연구결과는 재료공학분야의 권위지인 Advanced Materials 온라인판(1월 7일자)에 게재됐다.(논문명:Toward Large Scale Roll-to-Roll Production of Fully Printed Perovskite Solar Cells)
우수한 광(光)흡수성으로 높은 광전변환효율을 보이는 페로브스카이트는 원가가 매우 저렴하고 용액공정이 가능해 저비용-고효율 차세대 에너지소재로 주목받고 있다. 연구팀은 스핀코팅 대신 슬롯다이코팅 공정을 도입해 처음으로 소자 내 모든 영역이 슬롯다이코팅된 페로브스카이트 태양전지를 제작했다.
페로브스카이트는 물질 자체의 특성으로 필름형성단계에서 결정의 크기와 균일도 등을 조절하기 어렵다. 박막을 제작할 물질의 용액을 기판 위에 떨어뜨리고 고속으로 회전시켜 얇게 퍼지게 하는 코팅 방법인 스핀코팅은 주로 연구실 수준의 작은 소자 제작 시 사용한다. 공급되는 물질을 일정한 두께의 박막으로 기판 위에 코팅하는 슬롯다이코팅은 일정하게 코팅할 수 있는 장점 때문에 대량 생산을 위해서는 반드시 필요한 기법이다. 코팅을 하려는 면적이 넓을수록 균일도를 일정하게 유지하는 것이 어렵기 때문에 연구팀은 필름형성과정에서 질소가스를 사용해 필름의 건조를 촉진시켜 필름형성시간을 줄였다.
연구팀은 더 나아가 페로브스카이트 태양전지 소자 제작에 필요한 모든 세부 조건들을 롤투롤 공정에 그대로 적용해 기존 연구용 소자(0.1cm2)보다 400배 큰 40cm2의 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈을 구현했다.
김동유 교수는 “이번 연구는 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 저렴하게 대면적으로 생산할 수 있다는 사실을 이론이 아닌 실제적으로 보여준 사례”라며 “롤투롤 공정 기반 페로브스카이트 태양전지 모듈 제작의 첫 성공이자 상용화를 앞당기는 중요한 초석이 될 것으로 기대한다”고 연구의의를 밝혔다.
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