[파이낸셜뉴스] 태양전지는 햇빛만으로 전기를 생산할 수 있어 대표적인 미래 에너지지만 공정이 습도에 민감해 여름철처럼 습한 날에는 고비용의 드라이 룸(Dry room)이 필요했다. 이 같은 드라이룸 없이도 습도에 상관없이 고효율의 태양전지를 제작할 수 있는 기술이 개발됐다. 한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사 연구팀은 계절과 습도에 상관없이 균일하게 고효율 태양전지를 제작할 수 있는 용액 공정 기술을 개발했다고 10일 밝혔다. 이번 연구는 태양전지 대량생산의 핵심 기술로 주목받는 용액 공정의 환경 민감성을 극복할 수 있을 것으로 기대된다. 연구팀은 태양전지 소재의 용액이 골고루 퍼질 수 있도록 흐름을 조절하는 특수 첨가제를 개발했다. 이 첨가제는 습도 변화에 따라 발생하는 흐름의 불균형을 잡아줘 박막(얇은 막)이 균일하게 형성되도록 돕는다. 태양전지를 만들 때는 이 박막이 균일해야 성능이 높아지는데, 기존 기술은 여름철 고습이나 겨울철 저습 등 주변 습도에 영향을 많이 받아 성능 차이가 크게 발생하는 문제가 있었다. 이를 위해 습도 변화가 태양전지 용액 공정 중 광활성층 박막 형성에 미치는 영향을 규명했다. 습도가 높아지면 기판의 표면에너지가 변하고 이에 따라 용액의 흐름이 달라져 박막의 나노 구조가 변형되는 것으로 나타났다. 특히, 고습 환경에서는 박막이 균일하게 형성되지 않아 태양전지의 성능 저하 문제가 발생하는 것으로 확인됐다. 연구팀이 개발한 첨가제를 적용한 결과, 여름철 고습(상대습도 50~70%)과 겨울철 저습(10~20%) 환경에서도 일반 사용 태양전지의 편차보다 낮은 ±2% 이내로 안정됐으며 발전 효율도 기존 15.1%에서 16.3%로 높아졌다. 이는 날씨나 계절과 관계없이 성능을 안정적으로 유지할 수 있을 뿐 아니라 동일 면적 기준 세계 최고 수준의 효율로 더 작은 크기로도 더 많은 전기를 생산할 수 있는 기술 경쟁력을 입증한 성과다. 이번 기술은 고가의 드라이 룸 없이도 대면적 태양전지를 안정적으로 제작할 수 있어 제조 비용 절감과 생산 효율 향상에 기여할 수 있다. 드라이 룸 설치에는 수 천만 원 이상의 비용이 들지만 첨가제를 용액에 혼합하는 방식으로 기존 설비에 쉽게 적용할 수 있어 경제성이 높다. 특히, 약 2000조 원 규모로 성장 중인 차세대 고효율 태양전지 시장에서 중국 등 주요국 간 기술 경쟁이 치열한 가운데 원가와 품질을 모두 잡은 이번 기술은 국내 경쟁력 강화를 위한 핵심 기술로 평가된다. 이번 연구 성과는 국제 학술지 'Joule' (IF 38.6, JCR 분야 0.8%)에 게재됐다. jiany@fnnews.com 연지안 기자

[파이낸셜뉴스] 스마트워치나 피트니스 밴드처럼 몸에 착용하는 웨어러블 제품에 효율적으로 전력을 공급할 수 있는 태양전지가 개발됐다. 28일 POSTECH(포항공과대학교)에 따르면POSTECH 박태호 교수 연구팀은 최근 늘어날수록 전력 생산이 오히려 증가하는 태양전지를 개발했다.  ‘신축성 유기 태양전지(IS-OPV)1)’로 이는 고무줄처럼 구부리거나 늘려도 잘 작동하는 태양전지다. 특히 늘어날수록 햇빛을 받을 수 있는 면적이 늘어나 전기 생산량이 증가한다는 점에서 차세대 웨어러블 기기 핵심 전력원으로 떠오르고 있다. 또 이 전지는 여러 겹의 얇은 층으로 이루어져 있어서 조금만 늘어나도 층들이 갈라지거나 분리돼 성능이 급격히 떨어지는 한계를 극복했다. 기존의 딱딱한 전자 수송층을 사용한 태양전지는 늘어날 때 전력이 33%나 줄었지만, 새로 개발한 전자 수송층을 적용한 전지는 20%까지 늘어나도 전력 변환 효율을 그대로 유지했다. 연구결과 전지 출력 전력이 0.28mW에서 0.35mW로 약 23% 증가했다는 설명이다. 단순히 유연하기만 한 것이 아니라 '늘어날수록 더 잘 작동하는 태양전지‘가 실제로 구현됐다는 것이다. 박태호 교수는 “이번 기술은 태양전지가 가진 ‘넓힐수록 전력을 더 낼 수 있는’ 장점을 실제로 구현한 중요한 진전”이라며, “배터리 충전 걱정을 줄여주고, 몸의 움직임에 따라 전기를 생산하는 피부 센서나 스마트 의류 같은 미래 기술이 현실에 한 걸음 더 가까워질 것으로 기대된다”고 전했다. 이번 연구는 에너지 분야 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’의 속표지로 게재되며 큰 주목을 받았다. jiany@fnnews.com 연지안 기자

[파이낸셜뉴스] 한국에너지기술연구원 김기환·정인영 박사팀은 두 종류의 얇고 가벼운 태양전지를 붙여 23.64%의 전력 생산 효율을 달성했다고 3일 밝혔다. 연구진은 페로브스카이트와 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CIGS) 두 종류를 결합한 탠덤 태양전지를 만드는 제작 공정까지 개발했다. 이 태양전지는 10만번 이상 구부려도 초기 효율의 97.7%를 유지함으로써 높은 내구성까지 가졌다. 김기환 박사는 "이 탠덤 태양전지의 무게당 출력비는 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 태양전지보다 약 10배가량 높다"며, "초경량 모듈이 필요한 건물 외장재, 차량, 우주 항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것"이라고 말했다. 그러면서 "넓은 면적으로 만드는 공정 개발과 안정성 향상 연구를 추진해 관련 산업의 경쟁력 강화와 신·재생에너지 보급 확대에 크게 기여할 수 있을 것"이라고 전망했다. 태양광 발전에는 생산 단가가 싸고 대량 생산에 유리한 실리콘 태양전지가 주로 사용된다. 하지만 전력 생산 효율의 한계가 명확하여 실리콘 태양전지에 페로브스카이트 태양전지를 접합해 효율을 높인 탠덤 태양전지가 주목받고 있다. 이렇게 만든 탠덤 태양전지는 34.6%의 높은 효율을 갖고 있다. 하지만 무게가 무겁고 물리적인 충격에 약해 경량성과 적용성이 중요한 자동차, 항공기, 인공위성 등에 적합하지 않다. 연구진은 얇고 잘 휘어지는 페로브스카이트 CIGS 탠덤 태양전지에 주목, 전력생산 효율을 높이는 '리프트오프(Lift-off)' 공정을 개발했다. 리프트오프 공정은 유리 기판 위에 폴리이미드층을 코팅하고 그 위에 페로브스카이트 CIGS 탠덤 태양전지를 제작한 뒤 유리 기판에서 떼어내는 방식이다. 유연성이 좋은 폴리이미드 필름 자체를 기판으로 활용하던 기존 공정과 달리, 딱딱한 유리를 지지기판으로 활용하기 때문에 이전보다 안정적으로 전지를 만들 수 있다. 특히 평평한 유리 기판을 사용함으로써 태양전지의 각 층이 균일하게 증착돼 성능과 제작 재현성이 높아졌다. 연구진은 전지의 결함을 줄여 성능을 향상시키는 방법도 찾아냈다. 계산과학을 통해 유리기판 위에 코팅된 폴리이미드층이 칼륨의 확산을 억제할 수 있음을 예측하고 전지에 적용해 CIGS 광흡수층의 결함을 최소화하는데 성공했다. 이렇게 만든 태양전지는 23.64%의 전력 생산 효율을 나타냈으며, 기존 유연 페로브스카이트 CIGS 탠덤 태양전지의 최고 효율인 18.1%를 크게 웃돌았다. 정인영 박사는 "이번 개발 성과는 유연성과 경량성을 갖춘 고효율 차세대 태양전지 기술의 상용화 가능성을 증명한 것"이라며, "향후 효율 30%급 초경량 유연 태양전지를 만들기 위한 중요한 이정표"라고 강조했다. 한편, 연구진은 이번에 개발한 페로브스카이트 CIGS 탠덤 태양전지를 에너지·재료 분야 국제 저명학술지인 '줄(Joule)'에 발표했다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수팀(사진)은 기판 위에서 알아서 조립되는 분자로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 높일 수 있는 자가조립 정공수송층 물질을 개발했다고 19일 밝혔다. 이 물질로 만든 페로브스카이트 태양전지는 이전에 만들었던 태양전지보다 13% 이상 효율이 개선된 25.16%의 광전 변환 효율을 기록했다. 또 안정성도 좋아져, 500시간 동안 강력한 태양빛에 노출하는 실험에서도 초기 효율의 93%를 유지하며 효율 저하가 거의 없었다. 김봉수 교수는 "새로 개발한 물질은 페로브스카이트 태양전지의 장점인 저렴한 공정 비용을 극대화하면서 안정성과 효율을 동시에 잡아 페로브스카이트 태양전지의 시장 진입 가능성을 크게 높일 수 있다"고 말했다. 페로브스카이트 태양전지에 들어가는 자가조립단층은 광활성층인 페로브스카이트가 햇빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 전달하는 물질이다. 자가조립단층 정공수송층은 기판 위에서 스스로 조립되는 분자의 특성으로 제조되기 때문에 고분자기반 정공수송층보다 공정 비용을 더 절감할 수 있다. 연구진은 이 자가조립단층을 형성하는 특정 분자 '4PACz'보다 더욱 정공 수송 성능을 높일 수 있도록 분자 구조를 설계한 화합물 'MeS-4PACz'를 개발했다. 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수팀은 기판 위에서 알아서 조립되는 분자로 페로브스카이트 태양전지의 효율과 내구성을 높일 수 있는 자가조립 정공수송층 물질을 개발했다고 19일 밝혔다. 이 물질로 만든 페로브스카이트 태양전지는 이전에 만들었던 태양전지보다 13% 이상 효율이 개선된 25.16%의 광전 변환 효율을 기록했다. 또 안정성도 좋아져, 500시간 동안 강력한 태양빛에 노출하는 실험에서도 초기 효율의 93%를 유지하며 효율 저하가 거의 없었다. 김봉수 교수는 "새로 개발한 물질은 페로브스카이트 태양전지의 장점인 저렴한 공정 비용을 극대화하면서 안정성과 효율을 동시에 잡아 페로브스카이트 태양전지의 시장 진입 가능성을 크게 높일 수 있다"고 말했다. 페로브스카이트 태양전지에 들어가는 자가조립단층은 광활성층인 페로브스카이트가 햇빛을 받아 만든 정공(양전하 입자)을 전극으로 전달하는 물질이다. 자가조립단층 정공수송층은 기판 위에서 스스로 조립되는 분자의 특성으로 제조되기 때문에 고분자기반 정공수송층보다 공정 비용을 더 절감할 수 있다. 연구진은 이 자가조립단층을 형성하는 특정 분자 '4PACz'보다 더욱 정공 수송 성능을 높일 수 있도록 분자 구조를 설계한 화합물 'MeS-4PACz'를 개발했다. 태양전지는 광생성 전자(음전하 입자)와 정공이 전극으로 이동하는 현상으로 전기에너지를 뽑아내는 장치라 전자와 정공이 전극으로 잘 이동하면 전지 효율이 높아진다. 또 태양전지 출력과 장기안정성을 가늠하는 지표 값도 월등히 개선됐다. monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 울산과학기술원(UNIST) 화학과 김봉수 교수팀은 유기태양전지 수명을 대폭 늘릴 수 있는 첨가제를 개발했다고 26일 밝혔다. 태양전지 전체 무게의 0.05%에 불과한 첨가제가 유기태양전지 수명을 137일 이상으로 늘렸다. 김봉수 교수는 "고효율 광가교제 개발을 통해 유기 태양전지의 고질적인 안정성 문제를 해결하고, 나아가 그 원리를 규명하는 데 성공했다"며, "이번 연구는 유기 태양전지 상용화를 위한 안정성 향상 기술 개발에 매우 중요한 기여를 할 것"이라고 말했다. 연구진은 새로 개발한 첨가제를 넣어 유기태양전지 성능을 테스트했다. 그결과 초기효율이 12.5%의 유기태양전지는 85도 온도에서 1680시간이 경과한 후에도 11.7%의 광전환효율을 기록했다. 이는 초기효율의 93.4%에 해당하는 값이다. 또한 80도에서는 3290시간을 견뎌냈다. 반면 참가제를 넣지 않은 태양전지는 초기효율 13.92%에서 58.7%에 해당하는 8.17%로 떨어졌다. 결국 첨가제의 유무에 따라 태양전지 수명 성능이 약 59% 이상 차이가 난 것이다. 유기태양전지는 제조가 쉽고 필름 형태로 찍어 유연하게 붙일 수 있는 차세대 태양전지다. 하지만 유기물의 특성상 열에 약해 오래 쓰기가 어렵다. 이를 해결하기 위해 유기물 성분을 단단히 연결해 보호하는 가교제를 첨가하는 방법이 연구되고 있다. 연구진이 개발한 유기태양전지 첨가제는 소량만 사용해도 안정화 효과를 낼 수 있는 고효율 광가교제 6Bx를 개발했다. 이 광가교제는 질소 원자 3개로 구성된 아지드 이온을 이용해 만든 것으로, 태양전지 내 여러가지 물질들을 잘 연결해 줌으로써 더 튼튼하고 오래 사용할 수 있게 해준다. 또한 연구진은 이 가교제의 작동원리를 다중 분석 기법을 통해 밝혀냈다. 한편, 연구진은 미국 UC산타바바라의 툭-퀜 응우옌 교수, 프랑스 릴대학교 소속이자 국립과학연구센터의 촉매 및 고체화학 연구소 연구원인 마주나타 레디 교수팀과 함께 연구했다. 또 이번에 개발한 첨가제는 에너지 분야의 세계적인 학술지인 'ACS 에너지 레터스(ACS Energy Letters)'에 발표됐다.   monarch@fnnews.com 김만기 기자

대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 최종민 교수팀이 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 문병준 박사와 함께 첨가제를 활용해 페로브스카이트 태양전지 재료를 변질되지 않은채 더 오래 저장할 수 있게 됐다. 또 태양전지 전력 변환 효율과 안정성까지 향상됐다. 최종민 교수는 20일 "기존 페로브스카이트 용액 기반 공정에서 이온들이 쉽게 망가지는 문제를 수소 결합을 이용한 첨가제를 통해 해결할 수 있다"며 "이 첨가제가 태양전지가 상용화 되는 데 꼭 해결해야만 하는 열적 불안정성 문제를 개선하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 페로브스카이트는 태양전지 제조때 사용하는 용액이 시간이 지나면 이온들이 분해되며 불순물이 생긴다. 이렇게 오래된 용액으로 만든 태양전지는 성능이 떨어질 수 있으며, 높은 온도에서는 이온들이 더 빠르게 변해 성능 저하가 가속화될 수 있다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 수소 결합이 가능한 첨가제를 페로브스카이트 용액에 추가했다. 이 첨가제는 유기물과 수소 결합을 만들어 태양전지에 들어가는 중요한 성분들이 쉽게 변하지 않도록 보호해준다. 실험 결과, 140일 동안 보관한 오래된 용액으로 만든 태양전지도 새로 만든 용액과 거의 같은 효율을 유지했다. 또 첨가제가 태양전지 안에서 생길 수 있는 결함을 줄여 태양전지의 성능을 향상시켰다. 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 대구경북과학기술원(DGIST) 에너지공학과 최종민 교수팀이 한국과학기술연구원(KIST) 기능성복합소재연구센터 문병준 박사와 함께 첨가제를 활용해 페로브스카이트 태양전지 재료를 변질되지 않은채 더 오래 저장할 수 있게 됐다. 또 태양전지 전력 변환 효율과 안정성까지 향상됐다. 최종민 교수는 20일 "기존 페로브스카이트 용액 기반 공정에서 이온들이 쉽게 망가지는 문제를 수소 결합을 이용한 첨가제를 통해 해결할 수 있다"며 "이 첨가제가 태양전지가 상용화 되는 데 꼭 해결해야만 하는 열적 불안정성 문제를 개선하는 데 큰 도움이 될 것"이라고 말했다. 페로브스카이트는 태양전지 제조때 사용하는 용액이 시간이 지나면 이온들이 분해되며 불순물이 생긴다. 이렇게 오래된 용액으로 만든 태양전지는 성능이 떨어질 수 있으며, 높은 온도에서는 이온들이 더 빠르게 변해 성능 저하가 가속화될 수 있다. 연구진은 이 문제를 해결하기 위해 수소 결합이 가능한 첨가제를 페로브스카이트 용액에 추가했다. 이 첨가제는 유기물과 수소 결합을 만들어 태양전지에 들어가는 중요한 성분들이 쉽게 변하지 않도록 보호해준다. 실험 결과, 140일 동안 보관한 오래된 용액으로 만든 태양전지도 새로 만든 용액과 거의 같은 효율을 유지했다. 또 첨가제가 태양전지 안에서 생길 수 있는 결함을 줄여 태양전지의 성능을 향상시켰다. 실험 결과, 태양전지의 전력 변환 효율이 기존 22.61%에서 24.31%로 올라갔다. 뿐만 아니라 이 태양전지를 밀봉하지 않은 상태에서도 85도의 높은 온도에서 72.5일 동안 사용해도 초기 성능의 98% 이상을 유지했다. 한편, 연구진은 새로운 페로브스카이트 태양전지를 세계적인 국제 학술지 '에너지 환경과학(Energy & Environmental Science)'에 온라인 발표했으며, 표지논문으로 선정돼 출판을 앞두고 있다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자

[파이낸셜뉴스] 산업통상자원부는 14일 대한석탄회관에서 '차세대 태양전지 조기상용화 TF 회의'를 연다고 밝혔다. 이날 회의는 기존 전지의 한계 효율을 20%가량 상회하는 차세대 태양전지 기술개발과 조기 상용화 전략을 논의하기 위해 마련됐다. 탠덤형 차세대 태양전지는 현재 시장을 주도하고 있는 결정질 실리콘 태양전지의 양산 한계 효율(27%)을 돌파할 기술로 분류된다. 탠덤 전지는 결정질 실리콘 위에 전기 전도성이 뛰어난 페로브스카이트를 이중접합해 실리콘과 페로브스카이트가 서로 다른 영역 대의 빛을 흡수함에 따라 이론한계 효율을 44%까지 끌어올리는 것은 물론, 안정성도 높다는 평가를 받는다. 영국, 독일, 중국 등 세계 각국은 미래시장 선점으로 유망한 기술인 초고효율 탠덤 등 차세대 태양전지 개발을 위해 경쟁하고 있다. 산업부는 차세대 태양전지에 대한 핵심기술을 개발하기 위해 셀·모듈·소재 등 가치사슬별 목표지향형 기술개발을 추진할 계획이다. 이와 함께 임무형 과제를 기획하고 기업공동활용센터 등을 활용해 기업 간 연구개발(R&D) 협업 기반을 조성할 예정이다. 특히 산업부는 차세대 태양전지 실증·시범사업 추진을 통해 조기 상용화를 지원하고, 태양전지 기술선도국과 국제공동연구 및 국제표준화 등을 통해 해외진출 방안도 모색하기로 했다. 이호현 산업부 에너지정책실장은 "차세대 태양전지는 글로벌 태양광산업의 패러다임을 바꿀 수 있는 게임체인저로서 재생에너지 보급 목표를 달성하기 위한 기술적 해법을 제시해 줄 수 있을 것"이라며 "글로벌 기술경쟁 환경에서 국내 기업이 차세대 기술을 선점할 수 있도록 정부도 적극 지원해 나가겠다"고 말했다.  leeyb@fnnews.com 이유범 기자

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 넓은 필름 형태의 페로브스카이트 태양전지를 빠르게 만드는 제조공정 기술을 개발했다. 이 기술은 기존에 유리로 밀봉한 태양전지 형태를 벗어나 매우 얇은 소재로 코팅해 잘 휘어짐으로써 건물 일체형 태양광 발전, 자동차용 선루프 태양전지, 사물인터넷(IoT)용 배터리 등 많은 분야에 활용할 수 있게 될 전망이다. 한국화학연구원 함동석 박사팀은 전북대 김민 교수팀과 함께 페로브스카이트 태양전지 상업화를 앞당길 수 있는 롤투롤 기반 제조 플랫폼 공정 기술을 개발했다고 11일 밝혔다. 이 기술은 기존 롤투롤 제조 공정시간을 5배 이상 단축하면서도 기존 연구에서 보고된 기술보다 2배 이상의 규모인 100㎠ 모듈급 태양전지를 만들 수 있다. 또 새로운 밀봉 기술을 적용해 60도 온도와 90%의 습도에서 약 400시간 이상의 안정성을 보였다. 기존의 유연 페로브스카이트 태양전지 제작 방식은 비연속적인 배치형 코팅 방식을 많이 활용했다. 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 열처리하기가 어려워 반드시 해결해야 할 문제로 지적돼 왔다. 연구진은 이러한 한계를 극복하기 위해 짧은 시간에 강한 빛을 쪼여 열처리하는 '초고속 광소결 기술(IPL)을 적용했다. 일반적으로 슬롯다이 코팅법을 이용해 요오드화 납을 먼저 코팅한 후, 요오드화 포름암미디늄을 순차적으로 코팅하는 방식으로 페로브스카이트 막을 제조한다. 연구진은 이때 더 많은 빛을 흡수해 IPL 공정의 효율을 높여줄 수 있는 '세슘 포르 메이트' 첨가제를 요오드화 납에 추가했다. 연구진이 개발한 공정은 기존 롤투롤 공정에서 반드시 필요한 10분 이상의 열처리 시간을 2분으로 단축했다. 또한 100㎠ 이상의 대형 유연 모듈 제작이 가능해져, 상업적 적용 가능성도 크게 확대됐다. 또한 연구진은 유연 태양전지의 수명을 대폭 향상시키기 위해 기존의 딱딱한 유리 기반 밀봉기술을 발전시켜, 투명 전극과 보호 성능을 모두 갖춘 유연 필름 소재를 적용한 새로운 밀봉기술도 개발했다. 이 기술을 적용한 필름은 기존 필름보다 40% 수준으로 얇아 25% 이상 유연한 특성을 보였다. 이를 통해 60도의 고온, 90%의 고습도 환경에서도 태양전지의 내구성을 유지해 장기간 안정적으로 작동했다. 함동석 박사는 "롤투롤 코팅 공정에 필요한 공정시간의 단축, 안정상 향상 측면에서 사업화를 위한 신공정 개발에 큰 의의가 있으며, 이 기술을 응용해 향후 다양한 산업에 적용될 수 있을 것"이라고 말했다. 한편, 이 기술은 과학기술 분야 국제학술지인 'ACS 어플라이드 머티리얼스 & 인터페이스(ACS Applied Materials & Interfaces)'와 '솔라 RRL'에 각각 5월 속표지와 7월 겉표지 논문에 연달아 발표됐다.  monarch@fnnews.com 김만기 기자