고습도, 끄떡없다…'페로브스카이트 태양전지' 기술 개발

한국재료연구원 임동찬 김소연 박사팀 기술개발

[창원=뉴시스] 고습도 환경에서도 안정적인 고효율·고내구성 페로브스카이트 태양전지를 개발한 한국재료연구원 연구팀. 김소연 책임연구원(왼쪽부터), 자한다르 무함바드 선임연구원, 무흐 파드힐 알바브 박사과정 학생연구원(논문 제1저자), 임동찬 책임연구원. (사진=한국재료연구원 제공) 2025.06.16. [email protected]

[창원=뉴시스]홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 에너지·환경재료연구본부 임동찬 김소연 박사 연구팀이 고습도의 공기 중에서도 안정적으로 작동하는 고내구성 유연 페로브스카이트 태양전지 소재와 공정 기술 개발에 성공했다고 16일 밝혔다.

이번 연구 성과는 별도의 값비싼 설비 없이도 공기 중에서 고효율 태양전지를 제조할 수 있어 생산비용의 획기적 절감이 기대된다.

페로브스카이트는 빛 흡수력이 높고 저비용으로 얇고 유연한 필름 형태로 만들 수 있어 기존 실리콘 태양전지를 대체할 수 있는 차세대 재료로 주목 받았지만 습기에 취약해 상용화가 어려웠다.

습도를 낮춘 환경이나 불활성 가스 속에서 제조해야 했고 유연한 형태로 만들 때 기계적 내구성을 확보하기 어렵다는 한계도 있었다.

이를 해결하기 위해 임동찬 김소연 박사팀은 2D 페로브스카이트 소재를 활용해 태양전지의 광흡수층 상·하부를 샌드위치처럼 감싸는 결함 패시베이션(passivation, 표면을 보호하는 처리 기술)을 도입했다.

그 결과 최대 50% 상대습도 환경에서도 고효율·고내구성의 유연한 태양전지를 제작하는데 성공했다. 또 2800시간 동안 태양전지 효율을 85% 이상 유지하면서 안정성까지 높였다.

이는 굽힘 테스트 1만회를 실시한 후 초기 효율의 96%를 유지하고 극한의 전단(옆으로 밀리는 힘)-슬라이딩 테스트에서는 87%의 효율을 보존하는 결과를 통해 입증됐다.

이번 연구 성과는 고가의 항온항습 설비 없이 페로브스카이트 태양전지를 제조할 수 있는 기술로 기존 유연 태양전지 중 최고 수준의 기계적 안정성을 보여준다.

[창원=뉴시스] 한국재료연구원(KIMS) 에너지·환경재료연구본부 임동찬 김소연 박사 연구팀이 개발한 고습도 환경에서도 안정적인 고효율·고내구성 페로브스카이트 태양전지 소재. 얇고 유연한 형태를 보인다. (사진=한국재료연구원 제공) 2025.06.16. [email protected]

특히 대면적 연속생산 공정에 적용해 상용화 가능성까지 높였다는 점도 주목할 부분이다.

개발한 기술은 향후 롤러블 태양전지와 웨어러블 전자기기 시장 확대를 촉진함과 동시에 대면적 연속생산 공정을 활성화하여 태양광 기술 경쟁력을 크게 높일 것으로 예상된다.

이번 연구는 국가과학기술연구회, 한국연구재단, 스위스-한국 협력 프로젝트(SuraFlexi) 지원을 받아 수행됐다. 스위스 프리부르 대학교·부산대학교·부경대학교 등 국내외 연구진과의 협력으로 이뤄졌다.

연구 결과는 세계적인 학술지 '케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, 제1저자 : 파딜 박사과정 학생연구원)'에 5월31일 게재됐다.

연구책임자인 임동찬 책임연구원은 "이제 고비용 설비 없이도 공기 중에서 안정적인 고효율 태양전지 제조가 가능해져 생산비용을 대폭 줄일 수 있게 됐다"며 "특히 유연 소자의 뛰어난 내구성으로 인해 웨어러블 기기, 차량용 태양광 등에 활용이 기대된다"고 강조했다.

연구팀은 국내외 다양한 환경에서 안정적인 내구성과 동시에 생산 비용을 절감할 수 있는 차세대 태양전지 소재 연구도 진행할 예정이다. 태양전지의 대면적화 공정 기술도 상용화 수준으로 개발할 계획이다.


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