뛰어난 광전기적 특성으로 실리콘 태양전지를 대체할 차세대 태양전지 기술로 주목받는 페로브스카이트 태양전지는 상용화를 위한 대량생산이 산업계의 가장 큰 관심사다. 

대량생산을 위해선 그에 적합한 친환경 용매와 공정을 통해 고품질의 대면적 페로브스카이트 박막을 효율적으로 제조하는 것이 핵심인데, 이를 위해 주로 디메틸포름아미드(DMF)와 같은 고독성 용매가 사용되고 있다. 

그러나 박막을 형성하는 제조 과정에서 디메틸포름아미드가 다량 방출될 수 있는 문제가 제기되면서 대량생산 시 인체ㆍ환경 위해성이 현재의 한계점으로 남아 있다.

페로브스카이트 태양전지를 친환경 용매로 제조해 이러한 인체ㆍ환경 유해성을 극복할 수 있는 핵심기술을 전북대 유연인쇄전자전문대학원 나석인 교수팀(권성남 연구교수, 상레이수실 박사과정생)이 개발해 세계 학계의 주목을 받고 있다.

이번 연구성과를 담은 논문은‘Locally Supersaturated Inks for a Slot‐Die Process to Enable Highly Efficient and Robust Perovskite Solar Cells'라는 제목으로 에너지소재 분야 세계 최고 학술지인 『어드벤스드 에너지 머터리얼 (Advanced Energy Materials』(IF: 29.698) 최신 호에 게재됐다.

연구진은 저독성 용매인 디메틸설폭사이드(DMSO)를 단일 용매로 사용한 페로브스카이트 전구체 잉크를 개발했고, 이의 유변학적 특성 및 슬롯다이(slot-die) 코팅 특성을 개선하기 위해 항용매(antisolvent)를 소량 첨가했다.

이와 같이 개선된 디메틸설폭사이드 기반 페로브스카이트 전구체 잉크는 표면장력이 낮아져 슬롯 다이 공정에 적합했으며, 국부적으로 과포화된 페로브스카이트를 형성함으로써 고품질 페로브스카이트 박막을 형성할 수 있도록 한다는 것을 확인했다.

특히 디메틸설폭사이드 기반 페로브스카이트 전구체 잉크를 슬롯다이 코팅 공정에 적용한 결과, 이를 이용한 슬롯 다이 코팅 기반 페로브스카이트 태양전지는 20.61%의 단위 셀 효율과 18.66%의 미니 모듈 효율을 보였고, 4,320시간 동안 85%의 효율(단위 셀, N2 가스 분위기) 및 1,920시간 동안 83%의 효율(단위 셀, N2 가스 분위기)을 유지하는 등 높은 효율과 장기구동 안정성까지 가진 것으로 확인됐다.

권성남 연구교수는 “이번 연구성과는 향후 페로브스카이트 잉크를 설계하기 위한 전략과 친환경 공정을 기반으로 하는 페로브스카이트 태양전지의 상업화를 위한 중요한 전환점이 될 것이다”라며“향후 프린팅 공정 기반 고효율 페로브스카이트 태양전지 기술 확보를 위한 친환경 페로브스카이트 잉크 및 공정 연구를 지속할 것”이라며 후속 연구계획을 밝혔다.

한편 이번 연구는 한국연구재단(기초연구사업)과 한국전력공사 전력연구원 (KEPRI)의 지원을 받아 수행됐다.