효율 21.32%·14개월 안정성 입증…페로브스카이트 태양전지 대면적 생산 길 열어

전북대학교와 경상국립대학교 공동 연구팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지의 상용화를 앞당길 핵심 기술을 개발했다. 이들은 혁신적인 콜로이드 잉크 기반의 대면적 코팅 기술을 통해 고효율과 고안정성을 동시에 확보하는 데 성공했으며, 이 성과는 재료과학 분야의 세계적 학술지 Advanced Materials 최신호에 게재됐다.

페로브스카이트 태양전지는 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 에너지 기술로 기대를 모아왔지만, 대면적 모듈 제작 시 효율 저하와 안정성 부족이라는 한계에 직면해 있었다. 특히 실험실 수준의 소형 소자에서는 26% 이상의 높은 효율을 보였지만, 대면적으로 확장할 경우 필름 균일성 저하로 효율이 급감하는 문제가 지속되어 왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 전북대 나석인 교수, 권성남 연구교수, 상레이 수휠 박사과정, 경상국립대 이태경 교수, 손수현·박상욱 석사과정 등으로 구성된 공동연구팀은 톨루엔(TL)과 클로로벤젠(CB)을 포함한 새로운 콜로이드 잉크 조성을 개발했다. 이 잉크는 슬롯-다이(slot-die) 공정과 결합해 대면적 고품질 필름 형성과 안정적인 결정화를 가능하게 한다.

연구진은 개발된 콜로이드 잉크가 기존 잉크보다 유변학적 특성이 우수하다는 점에 주목했다. 점도와 표면장력을 낮춰 젖음성과 코팅 균일성을 높였으며, 대면적 필름 제작 시 결정 성장의 활성화 에너지를 낮춰 안정적이고 치밀한 결정구조를 구현할 수 있도록 했다.

또한, 반용매가 전구체 내 결합 에너지를 강화하고 DMSO 배위를 약화시키면서 결정화에 유리한 열역학 조건을 제공해 고품질 필름 형성을 가능하게 했다. 이 과정은 밀도범함수이론(DFT) 기반의 시뮬레이션을 통해 검증되었다.

21.32%의 효율과 14개월 이상 장기 안정성 입증

해당 기술을 적용해 제작된 태양전지는 최대 21.32%의 광전 변환 효율을 달성했고, 10,115시간(약 14개월) 동안 초기 효율의 77%를 유지하는 탁월한 장기 안정성을 입증했다. 이는 기존 공정으로 제작된 태양전지가 같은 기간 동안 초기 효율의 50%만을 유지하는 것과 비교해 괄목할 성과다.

확장성 측면에서도 뛰어난 결과를 보였다. 2.7cm² 규모의 실험실 미니모듈에서 20.26%, 8.64cm² 규모의 대면적 미니모듈에서도 19.15%의 효율을 달성함으로써, 대면적 확장 시에도 효율 저하가 크지 않다는 점을 입증했다.

이번 연구를 주도한 권성남 연구교수는 “잉크 조성과 유변학, 결정화 메커니즘, 소자 성능 간의 복잡한 상관관계를 명확하게 규명한 것에 의미가 있다”며, “콜로이드 잉크 기반 슬롯-다이 공정 기술은 고효율과 고안정성을 동시에 확보하며 페로브스카이트 태양전지 상용화를 크게 앞당길 수 있다”고 밝혔다.

이 기술은 태양전지의 대량 생산과 실외 환경에서의 장기 사용을 모두 가능하게 함으로써, 재생에너지 시장에서의 경쟁력을 높이는 핵심 전환점이 될 것으로 전망된다.

이번 연구는 과학기술정보통신부, 한국전력공사, 경상국립대학교의 글로컬대학30 사업의 지원을 받아 수행되었다.

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