UNIST, 태양전지 박막 손상없이 진단하는 X선 기술 개발

(울산=뉴스1) 김세은 기자 = X선으로 페로브스카이트 태양전지의 결정 배열을 한눈에 볼 수 있는 검사 기술이 나왔다.

울산과학기술원(UNIST) 김동석·신태주·김진영 교수팀은 한국화학연구원 신윤섭 박사와 함께 대면적 페로브스카이트 박막의 구조를 손상 없이 분석하는 2차원 X선 회절 매핑(2DXDM) 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 액체 상태의 원료 용액을 기판 위에 바른 뒤 용매를 증발시켜 태양 빛을 흡수하는 결정막을 만든다. 공정이 간단하고 낮은 온도에서도 제작할 수 있어 차세대 전지로 주목받고 있다.

다만 태양전지의 크기가 커질수록 박막을 균일하게 만드는 것이 어려워진다. 기판의 중심부와 가장자리에서 용매가 마르는 속도가 달라져 결정이 고르지 않게 자라고, 이 과정에서 결함과 격자 변형이 생길 수 있기 때문이다.

연구팀이 개발한 기술은 이 같은 결정의 불균일과 격자 변형을 태양전지를 직접 잘라내지 않고 진단할 수 있는 기술이다.

X선을 박막에 쏘면 결정의 배열 방향과 격자가 눌리거나 늘어난 정도에 따라 회절무늬가 달라지는 원리를 활용했다.

연구팀은 이 기술을 적용해 두 가지 용액 공정의 품질도 비교했다.

원료 용액을 한 번에 떨어뜨린 뒤 회전하는 기판을 펴 바르는 '정적 스핀코팅(SSC)'과 기판을 회전시키면서 원료 용액을 계속 공급하는 '동적 스핀캐스팅(DSC)'을 비교한 결과, 동적 스핀캐스팅으로 만든 박막의 품질이 더 우수했다.

동적 스핀캐스팅으로 제작한 100㎠급 태양광 전지 모듈은 실제 발전 면적 86.4㎠에서 23.0%의 광전변환효율을 기록했으며, 공인 효율은 22.75%를 기록했다. 광전변환효율은 태양 빛 에너지 가운데 실제로 전기에너지로 바뀌는 비율을 뜻한다.

또 밀봉한 모듈은 1000시간 동안 빛을 계속 비춘 뒤에도 초기 효율의 80% 이상을 유지하는 것으로 확인됐다.

김동석 교수는 "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.

이번 연구엔 UNIST 김동신·이재휘 석·박사통합과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 포항방사광가속기의 UNIST-PAL(6D) 빔라인을 활용해 진행됐다.

연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '줄(Joule)'에 지난달 23일 온라인 게재됐다.

syk000120@news1.kr