UNIST와 한국화학연구원 연구진이 X선을 활용해 대면적 페로브스카이트 태양전지 박막 전체의 결정 배열과 격자 변형을 손상 없이 분석하는 2차원 X선 회절 매핑(2DXDM) 기술을 개발했다.
UNIST 김동석·신태주·김진영 교수팀은 한국화학연구원 신윤섭 박사와 함께 대면적 페로브스카이트 박막의 구조를 비파괴 방식으로 분석하는 2DXDM 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지는 액체 상태의 페로브스카이트 원료 용액을 기판 위에 바른 뒤 용매를 증발시켜 태양빛을 흡수하는 결정막을 만드는 차세대 전지다. 저렴한 저온 용액 공정으로 제조할 수 있다는 특징이 있다.
태양전지 효율은 결정이 얼마나 고르게 형성되고 같은 방향으로 배열되는지, 결정 격자에 미세한 뒤틀림이 얼마나 남아 있는지에 영향을 받는다. 그러나 전지 면적이 커지면 중심부와 가장자리에서 용매가 마르는 속도가 달라져 결정이 불균일하게 자라고 결함과 격자 변형이 발생하면서 효율이 떨어질 수 있다.
연구팀이 개발한 2DXDM 기술은 이 같은 결정의 불균일과 격자 변형을 태양전지를 직접 잘라내지 않고 진단할 수 있다.
X선을 조사했을 때 박막 결정에서 나타나는 회절무늬의 세기와 방향, 위치가 결정 배열 방향과 격자가 눌리거나 늘어난 정도에 따라 달라지는 원리를 활용한다. 박막 전체에서 반복적으로 측정한 정보를 이용해 중심부부터 가장자리까지 구조가 불균일한 위치와 정도를 지도처럼 확인할 수 있다.
연구팀은 이 기술을 이용해 두 종류의 용액 공정을 비교하고 보다 균일한 박막을 만드는 방식을 찾아냈다. 원료 용액을 한 번에 떨어뜨린 뒤 기판을 회전시켜 펴는 정적 스핀코팅(SSC)과 기판이 회전하는 동안 원료 용액을 방울 형태로 계속 공급하는 동적 스핀캐스팅(DSC)을 비교한 결과, 동적 스핀캐스팅으로 제조한 페로브스카이트 박막의 품질이 더 우수했다.
동적 스핀캐스팅으로 제작한 100㎠급 태양광 전지 모듈은 실제 발전 면적 86.4㎠에서 23.0%의 광전변환효율을 기록했다. 공인 효율은 22.75%로, 비슷한 크기의 페로브스카이트 모듈 최고 공인 효율인 23.55%에 근접한 수준이다.
밀봉한 모듈은 1000시간 동안 빛을 계속 비춘 뒤에도 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.
이번 연구에는 UNIST 김동신·이재휘 석·박사통합과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 포항방사광가속기의 UNIST-PAL(6D) 빔라인을 활용했다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘줄(Joule)’에 7월 23일 온라인 게재됐다.
연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단(NRF), 산업통상자원부, 한국에너지기술평가원(KETEP), 한국산업기술진흥원(KIAT), 한국화학연구원(KRICT)의 지원을 받아 수행됐다.
신태주 교수는 “기존 분석법은 일부 영역이나 평균값만 보여줘 박막 전체의 차이를 파악하기 어려웠고, 시료를 잘라내는 과정에서 원래의 격자 변형이 달라질 수도 있었다”며 “2DXDM은 박막을 손상하지 않고 전체 면적을 분석해 공정 최적화와 품질관리에 활용할 수 있다”고 설명했다.
김동석 교수는 “대면적 페로브스카이트 박막에서는 국소 영역이 아닌 전체 면적의 구조 균일성을 파악하는 것이 중요하다”며 “이번 연구로 어떤 공정 조건에서 박막이 더 균일해지고 모듈 효율이 높아지는지를 알 수 있어, 고효율 대면적 태양전지의 제조 공정을 개선하는 데 활용될 수 있을 것”이라고 밝혔다.
헬로티 이동재 기자 |
