전북대 연구팀, 유해성 극복한 차세대 태양전지 기술 개발

차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지를 친환경적으로 제조할 수 있는 기술을 전북대 연구팀이 개발해 상용화를 위한 대량 생산의 가능성을 높이고 있다.

전북대는 27일 유연인쇄전자전문대학원 나석인 교수팀(권성남 연구교수, 상레이수실 박사과정생)이 친환경 용매로 페로브스카이트 태양전지를 제조해 인체·환경 유해성을 극복할 수 있는 핵심기술을 개발했다고 밝혔다.

전북대학교 유연인쇄전자전문대학원 나석인 교수, 권성남 연구교수, 상레이수실 박사과정생(왼쪽부터). 전북대 제공

페로브스카이트 태양전지는 뛰어난 광전기적 특성으로 인해 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지로 부상하고 있다. 이의 대량생산을 위해서는 최적의 친환경 용매와 공정을 통해 고품질의 대면적 페로브스카이트 박막을 효율적으로 제조하는 것이 핵심이다. 이를 위해 주로 디메틸포름아미드(DMF)와 같은 고독성 용매를 사용하고 있다.

하지만, 박막을 형성하는 제조 과정에서 디메틸포름아미드가 다량 방출될 수 있는 문제가 제기되면서 대량생산 시 인체·환경에 대한 위해성이 한계점으로 꼽힌다. 연구진은 친환경 용매로 페로브스카이트 태양전지를 제조해 이를 극복할 수 있는 핵심 기술을 개발했다.

저독성 용매인 디메틸설폭사이드(DMSO)를 단일 용매로 사용한 페로브스카이트 전구체 잉크를 개발한 뒤 이의 유변학적 특성과 슬롯다이(slot-die) 코팅 특성을 개선하기 위해 항용매(antisolvent)를 소량 첨가했다.

이를 통해 개선한 디메틸설폭사이드 기반 페로브스카이트 전구체 잉크는 표면장력이 낮아져 슬롯 다이 공정에 적합한 것으로 나타났다. 국부적으로 과포화된 페로브스카이트를 형성함으로써 고품질 페로브스카이트 박막을 형성할 수 있도록 한다는 것을 확인했다.

특히 디메틸설폭사이드 기반 페로브스카이트 전구체 잉크를 슬롯다이 코팅 공정에 적용한 결과, 이를 이용한 슬롯다이 코팅 기반 페로브스카이트 태양전지는 20.61%의 단위 셀 효율과 18.66%의 미니 모듈 효율을 보였다. 또 4320시간 동안 85%의 효율을 유지하는 등 높은 효율과 장기 구동 안정성을 나타냈다.

이번 연구는 한국연구재단과 한국전력공사 전력연구원(KEPRI) 지원으로 수행했으며, 그 성과를 담은 논문은 에너지소재 분야 세계 최고 학술지인 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼(Advanced Energy Materials)’ 최신 호에 실렸다.

권성남 연구교수는 “이번 성과는 향후 페로브스카이트 잉크를 설계하기 위한 전략과 친환경 공정을 기반으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 중요한 전환점이 될 것으로 기대한다”며 “향후 프린팅 공정 기반 고효율 페로브스카이트 태양전지 기술 확보를 위한 친환경 페로브스카이트 잉크와 공정 연구를 지속할 계획”이라고 말했다.

전주=김동욱 기자 [e-mail]