UNIST, 대면적 페로브스카이트 태양전지 균일성 진단 기술 개발

비파괴 2차원 X선 회절 매핑으로 결정 구조 분석…대면적 모듈 공정 최적화 기대

[울산=뉴시스] 비파괴 2차원 X선 회절 매핑(2DXDM) 장치 구조 (사진=UNIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

[울산=뉴시스] 구미현 기자 = 대면적 페로브스카이트 태양전지의 성능을 좌우하는 박막의 결정 구조를 손상 없이 넓은 영역에서 확인할 수 있는 기술이 개발됐다. 대면적 태양전지의 제조 과정에서 발생하는 결정 구조의 편차를 직접 확인할 수 있어 향후 공정 최적화와 품질관리 기술로 활용될 전망이다.

울산과학기술원(UNIST)은 김동석·신태주·김진영 교수팀과 한국화학연구원 신윤섭 박사 연구팀이 대면적 페로브스카이트 태양전지의 결정 균일성을 비파괴적으로 분석할 수 있는 '2차원 X선 회절 매핑(2DXDM)' 기술을 개발했다고 밝혔다.

연구팀은 포항방사광가속원의 UNIST-PAL 6D 빔라인을 활용해 태양전지 박막의 넓은 영역을 대상으로 결정 구조와 결정 배향성을 분석했다.

기존에는 대면적 박막의 결정 구조를 확인하기 위해 시료를 특정 지점에서 측정하거나 절단하는 방식이 주로 활용됐다. 이 경우 박막 전체의 구조적 차이를 파악하기 어렵고, 시료를 절단하는 과정에서 원래의 응력 상태가 달라질 가능성도 있었다.

연구팀이 개발한 2DXDM은 시료를 훼손하지 않은 상태에서 넓은 영역의 결정 구조를 2차원으로 매핑할 수 있다는 점이 특징이다. 이를 통해 대면적 박막에서 결정성이 얼마나 균일하게 형성됐는지를 한눈에 확인할 수 있다.

연구팀은 이 기술을 활용해 페로브스카이트 박막 제조에 사용되는 두 가지 스핀코팅 공정을 비교했다.

원료 용액을 한 번에 떨어뜨린 뒤 기판을 회전시키는 정적 스핀코팅(SSC)과 기판이 회전하는 동안 용액을 지속적으로 공급하는 동적 스핀캐스팅(DSC)을 비교한 결과, DSC 방식에서 박막의 결정성과 결정 배향성이 보다 균일하게 나타났다.

연구팀은 공정 중 발생하는 용매의 증발과 재습윤 거동도 함께 분석해 DSC 방식이 대면적 박막의 균일성을 높이는 원인을 확인했다.

실제 태양광 모듈 제작에서도 DSC 공정의 효과를 확인했다.

[울산=뉴시스] 김동석 UNIST 교수, 신태주 UNIST 교수, 신윤섭 한국화학연구원 박사, 김진영 UNIST 교수,  김동신 UNIST 연구원, 이재휘 UNIST 연구원. (사진=UNIST 제공) [email protected] *재판매 및 DB 금지

DSC 방식으로 제조한 100㎠급 페로브스카이트 태양광 모듈은 86.4㎠의 유효 발전면적에서 23.0%의 광전변환효율을 기록했으며, 공인 효율은 22.7%로 나타났다.

장기 안정성에서도 가능성을 확인했다. 밀봉된 모듈에 1000시간 동안 지속적으로 빛을 조사한 결과 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

연구팀은 이번 기술이 대면적 페로브스카이트 태양전지 제조 과정에서 발생하는 결정 구조의 편차를 직접 확인하고, 공정 조건에 따른 박막 특성을 비교할 수 있다는 점에서 의미가 있다고 설명했다.

특히 제조 과정에서 성능 저하를 일으키는 원인을 찾아내고 공정 조건을 최적화하는 것은 물론, 대면적 모듈 생산을 위한 품질관리 기준을 마련하는 데에도 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

신태주 UNIST 교수는 "기존 분석 방식으로는 박막 전체의 구조적 차이를 파악하기 어려웠고, 시료를 절단하는 과정에서 원래의 응력 상태가 달라질 가능성도 있었다"며 "2DXDM은 박막을 훼손하지 않고 넓은 영역의 결정 구조를 분석할 수 있어 대면적 제조공정의 최적화와 품질관리에 활용할 수 있다"고 말했다.

김동석 교수는 "대면적 페로브스카이트 태양전지에서는 특정 지점의 성능뿐만 아니라 전체 면적에서 결정 구조가 얼마나 균일한지가 중요하다"며 "이번 연구가 고효율 대면적 모듈의 제조 조건을 개선하고 상용화 과정에서 필요한 품질관리 기술을 확보하는 데 도움이 될 것으로 기대한다"고 밝혔다.

이번 연구에는 UNIST 김동신·이재휘 석·박사통합과정 연구원이 제1저자로 참여했다. 연구진은 포항방사광가속원의 UNIST-PAL 6D 빔라인에서 X선 분석을 수행했다.


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