[헤럴드경제=최정호 기자]한국-호주 공동 연구팀이 슬롯다이코팅 공법과 롤투롤 공정으로 싼 가격에 효율을 높힌 페로브스카이트 태양전지를 만드는데 성공했다.

미래창조과학부는 10일 김동유 광주과기원 교수와 박두진 호주국립과학원 박사가 주도하고, 황경일 광주과기원 황경일 박사과정생(제1저자)이 참여한 이번 연구가 재료공학분야의 권위지 Advanced Materials 온라인 판에 게재됐다고 전했다.

우수한 광(光)흡수성으로 높은 광전변환효율을 보이는 페로브스카이트는 물질 원가가 매우 저렴하고 용액공정도 가능해 ‘저비용-고효율’ 차세대 에너지 소재로 주목받고 있는 소재다. 하지만 지금까지 페로브스카이트 태양전지 연구는 세계적으로 초기단계로, 고효율 소자 제작과 기초 구동원리 연구에만 집중해왔다. 대면적, 대량생산 등 상용화를 위한 연구는 거의 진행되고 있지 않았던 것이다.

페로브스카이트는 높은 흡광계수와 뛰어난 전하 전이능력을 지닌 화합물로, 물질 단가가 저렴하고 저가의 용액 공정이 가능하여 고효율의 차세대 태양전지 분야를 주도하고 있는 물질이다. 하지만 필름형성단계에서 결정의 크기와 균일도 등을 조절하기 어렵다는 이유로 그동안 태양광과 결합한 사용화에 어려움을 겪었다.

연구팀은 그동안 실험실 수준에서 사용됐던 ‘스핀코팅’ 방식 대신 슬롯다이코팅 공정을 도입했다. 필름형성과정에서 질소가스를 사용해 필름의 건조를 촉진, 필름형성시간을 줄였다. 또 기판의 온도 조절로 결정의 크기를 조절하여 수십 나노미터(10억분의 1m)에서 수 마이크로미터(100만분의 1m)까지 페로브스카이트 결정의 크기를 키우고 균일하게 만들었다. 이렇게 만들어진 슬롯다이코팅 기반의 페로브스카이트 태양전지는 스핀코팅의 태양전지와 비슷한 약 12%의 광전변환효율을 보였다.

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. 값 싸고 효율 좋은 페로브스카이트 태양전지 상용화가 5년 내 이뤄질 가능성을 보여준 것이다.

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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