차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 높은 광전변환 효율에도 불구하고 상용화 단계에서 반복적으로 한계에 부딪혀 왔다. 소면적 셀에서는 우수한 성능을 보이지만, 면적이 커질수록 코팅 불균일과 결함 증가로 효율이 급격히 저하되는 문제가 지적돼 왔다. 여기에 유독성 항용매를 사용하는 기존 공정은 환경 규제와 작업 안전성 문제까지 동반했다. 이 같은 난제를 동시에 해결할 수 있는 기술을 부산대학교 연구진이 확보했다. 부산대 첨단융합학부 서지연 교수와 유기소재시스템공학과 김효정 교수 연구팀은 유독성 항용매를 완전히 제거하면서도 대면적 기판에 균일한 박막을 구현할 수 있는 ‘시드 프라이밍 진공 결정화(S-VAC)’ 공정을 개발했다고 밝혔다.
기존 스핀코팅 기반 공정은 빠른 결정화를 유도하기 위해 클로로벤젠 등 유해 물질이 포함된 항용매를 사용해 왔다. 이는 대면적 공정에서 균일도를 확보하기 어렵게 만들었고, 환경·안전 문제도 야기했다. 연구팀은 전구체 용액에 올레일아민을 첨가해 나노 크기의 광활성 시드를 미리 형성한 뒤, 진공 환경에서 이를 수직 성장시키는 방식으로 고품질 박막을 형성했다. 항용매를 전혀 사용하지 않는 공정임에도 균일도와 재현성을 확보했다는 점이 핵심이다.
실증 결과는 상용화 가능성을 뒷받침한다. 연구팀은 15cm×15cm 크기의 대면적 기판에서도 결함 없는 페로브스카이트 박막을 제조하는 데 성공했으며, 이를 적용한 미니 모듈은 19.1%의 광전변환 효율을 기록했다. 또한 1년 이상 실외 구동 테스트에서도 초기 효율의 94% 이상을 유지해 장기 안정성을 입증했다. 이는 대면적 스케일업 과정에서 발생하는 성능 저하 문제를 상당 부분 해소했음을 의미한다.
이번 연구는 부산대와 한국전력연구원, 그리고 스위스 로잔연방공과대학의 마이클 그라첼 교수와의 국제 공동연구로 수행됐다. 그라첼 교수는 분자 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 분야의 세계적 석학으로, 공동 연구를 통해 기술의 신뢰도와 글로벌 확산 가능성을 높였다는 평가다. 연구 결과는 에너지 소재 분야 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 게재됐다.
연구진은 이번 성과가 페로브스카이트 태양전지 상용화의 핵심 과제였던 ‘대면적 균일 코팅’과 ‘공정 친환경성’을 동시에 해결했다는 점에서 의미가 크다고 설명한다. 향후 대량 생산 공정으로 확장될 경우, 차세대 태양광 산업의 제조 패러다임 전환에도 영향을 미칠 가능성이 있다.
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