X선으로 대면적 페로브스카이트 태양전지의 결정 배열과 미세 뒤틀림을 한눈에 볼 수 있는 비파괴 검사 기술이 개발됐다. 고효율 페로브스카이트 태양전지의 대량생산 공정을 최적화하고 품질을 관리하는 데 활용될 전망이다.
UNIST는 김동석·신태주·김진영 교수와 신윤섭 한국화학연구원 연구원이 공동으로 대면적 페로브스카이트 박막 구조를 손상 없이 분석하는 '2차원 X선 회절 매핑(2DXDM)' 기술을 개발했다고 19일 밝혔다.
페로브스카이트 태양전지에서 빛을 흡수하는 페로브스카이트 결정막은 액체 상태 페로브스카이트 원료를 기판 위에 바른 뒤 용매를 증발시켜 만든다. 이 때 결정을 만드는 격자에 미세한 뒤틀림이 남아 있으면 결정의 품질도 떨어지고 전지 효율도 낮아진다.
특히 결정 격자가 크면 클수록 중심부와 가장자리의 용매 증발 속도가 달라져 균일한 결정을 만들기 어렵다. 실험실에서 고효율 전지를 개발해도 대면적 상용화로 이어지지 못하는 이유다.
'2DXDM'은 결정의 불균일과 격자 변형을 태양전지를 자르지 않고 진단할 수 있는 기술이다. CT 촬영처럼 박막 결정에 X선을 쏘이면 나오는 회절무늬의 세기와 방향, 위치를 종합해 결정을 진단한다.
공동 연구팀은 이 기술로 더 균일한 박막 결정을 만들 수 있는 용액공정을 찾아냈고, 이 공정으로 100㎠급 대면적 태양광 전지 모듈을 제작했다.
이 모듈을 테스트한 결과, 실제 발전 면적 86.4㎠에서 광전변환효율 23.0%, 공인 효율 22.75%를 기록했다. 비슷한 크기의 페로브스카이트 모듈 가운데 최고 공인 효율인 23.55%에 근접한 수준이다.
김동석 교수는 “2DXDM은 박막 전체를 손상 없이 분석할 수 있고 어떤 공정 조건에서 박막이 더 균일해지고 모듈 효율이 높아지는지 알 수 있다”며 “고효율 대면적 태양전지 제조 공정 개선에 기여할 것”이라고 말했다.
연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 '줄(Joule)'에 온라인으로 실렸다.
울산=임동식 기자 dslim@etnews.com
