국내 연구진이 잘 휘어지는 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 앞당길 수 있는 롤투롤(Roll-to-Roll) 공정 기술을 개발했다. 롤투롤 공정은 롤 형태로 감긴 플라스틱이나 금속박막에서 전자기기를 만드는 공정이다.
함동석 한국화학연구원 책임연구원과 김민 전북대 교수 공동 연구진은 기존 롤투롤 제조 공정시간을 5배 이상 줄이면서도 기존 연구에서 보고된 기술보다 2배 이상의 규모인 100㎠ 모듈급 롤투롤 대면적 제조공정을 개발했다고 11일 밝혔다.
유연 페로브스카이트 태양전지는 실리콘 기반의 태양전지에 비해서 가볍고 유연성이 뛰어나 건물 일체형 태양광 발전, 자동차용 선루프용 태양전지, 사물인터넷(IoT)용 배터리와 같은 많은 분야에 활용할 수 있다.
기존의 유연 페로브스카이트 태양전지 제작 방식은 비연속적인 배치형 코팅 방식을 많이 활용했는데, 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 샘플을 열처리하기가 어려워 한계가 있었다.
연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 초고속 광소결 기술(IPL, intensive pulsed light)을 도입한 새로운 대면적 롤투롤 제조 공정을 개발했다. 광소결 기술은 100만 분의 1초 단위의 짧은 시간 동안 빛을 조사해 페로브스카이트 층을 빠르게 열처리하는 기술이다. 이렇게 개발한 공정은 기존 롤투롤 공정에서는 10분 이상이었던 열처리 시간을 2분으로 단축하면서도 100㎠ 이상의 대형 유연 모듈 제작이 가능하다.
또 유연 태양전지의 수명을 대폭 높이기 위해 기존의 딱딱한 유리 기반의 봉지기술을 개선했다. 봉지기술은 코팅층을 도입해 수분이나 산소가 침투하지 못하게 하는 공정이다. 새로운 봉지기술을 적용한 필름은 기존 봉지필름보다 40% 수준으로 얇았고 25% 이상 더 유연했다. 이를 통해 60도의 고온, 90%의 고습도 환경에서도 태양전지의 내구성을 유지할 수 있었다.
함동석 책임연구원은 "이번 연구는 롤투롤 코팅 공정에 필요한 공정시간을 줄이고, 안정성을 높여 사업화를 위한 신공정을 개발한 데 의의가 있다"며 "이번에 개발한 기술을 향후 다양한 산업에 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.
이번 연구는 국제 학술지인 '미 화학회 어플라이드 머티리얼스 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'와 '솔라 알알엘(Solar RRL)'에 각각 5월 속표지와 7월 겉표지 논문으로 게재됐다.
참고 자료
ACS Applied Materials & Interfaces(2024), DOI: https://doi.org/10.1021/acsami.4c04153
Solar RRL(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/solr.202470141