UNIST·화학연, 대면적 페로브스카이트 태양전지 모듈 비파괴 품질 분석 기술 개발

- X선 회절로 박막 전체의 결정 배열·격자 변형 손상 없이 분석 

- 대량생산 공정 최적화·품질관리에 활용 기대

연구진 사진. (왼쪽부터) UNIST 김동석 교수, 신태주 교수, 한국화학연구원 신윤섭 박사, UNIST 김진영 교수, 김동신 연구원, 이재휘 연구원. (자료제공: UNIST)

비파괴 2차원 X선 회절 매핑(2DXDM) 장치 구조. (자료제공: UNIST)

X선으로 대면적 페로브스카이트 태양전지의 결정 배열과 미세한 뒤틀림을 한눈에 볼 수 있는 비파괴 검사 기술이 나왔다. 고효율 페로브스카이트 태양전지의 대량생산 공정을 최적화하고 품질을 관리하는 데 활용될 전망이다. 

UNIST는 김동석·신태주·김진영 교수팀이 한국화학연구원 신윤섭 박사와 함께 대면적 페로브스카이트 박막의 구조를 손상 없이 분석하는 2차원 X선 회절 매핑(2DXDM) 기술을 개발했다고 8월 19일 밝혔다. 

페로브스카이트 태양전지는 용액 공정이라는 저렴한 저온 공정으로 만들 수 있는 차세대 전지다. 액체 상태 페로브스카이트의 원료 용액을 기판 위에 바른 뒤 용매를 증발시켜 태양빛을 흡수하는 페로브스카이트 결정막을 만드는 것이다. 

이때 결정이 얼마나 고르게 형성되고 같은 방향으로 배열되는지, 결정 격자에 미세한 뒤틀림이 얼마나 남는지가 효율을 좌우하는데, 크기가 커지면 중심부와 가장자리에서 용매가 마르는 속도가 달라져 결정이 불균일하게 자라고 결함과 격자 변형이 생기면서 효율이 떨어지게 된다. 

실험실에서 만든 소형 전지가 상용 실리콘 태양전지에 맞먹거나 이를 넘어서는 효율을 내면서도 실제 대면적 상용화가 어려운 이유 중 하나다. 

연구팀이 개발한 기술은 이 같은 결정의 불균일과 격자 변형을 태양전지를 직접 잘라내지 않고 진단할 수 있는 기술이다. X선을 쐈을 때 박막 결정에서 나오는 회절무늬의 세기와 방향, 위치가 결정의 배열 방향과 격자가 눌리거나 늘어난 정도에 따라 달라지는 원리를 활용했다. 

병원 CT가 여러 지점에서 얻은 X선 정보를 모아 몸속 영상을 재구성하듯, 이를 박막 전체에서 반복 측정해 중심부부터 가장자리까지 구조가 불균일한 위치와 정도를 지도처럼 한눈에 확인할 수 있게 된다. 

연구팀은 이 기술을 적용해 두 종류의 용액 공정 가운데 더 균일한 박막을 만드는 방식을 찾아내고 고효율 대면적 태양전지도 만들어냈다. 원료 용액을 한 번에 떨어뜨린 뒤 기판을 회전시켜 펴는 정적 스핀코팅(SSC)과, 기판이 회전하는 동안 원료 용액을 방울 형태로 계속 공급하는 동적 스핀캐스팅(DSC)을 비교했을 때 동적 스핀캐스팅으로 제조한 페로브스카이트 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. 이는 현재 비슷한 크기의 페로브스카이트 모듈 최고 공인 효율인 23.55%에 근접한 수준이다. 밀봉한 모듈은 1,000시간 동안 빛을 계속 비춘 뒤에도 초기 효율의 80% 이상을 유지했다. 

신태주 교수는 “기존 분석법은 일부 영역이나 평균값만 보여줘 박막 전체의 차이를 파악하기 어려웠고, 시료를 잘라내는 과정에서 원래의 격자 변형이 달라질 수도 있었다”며 “2DXDM은 박막을 손상하지 않고 전체 면적을 분석해 공정 최적화와 품질관리에 활용할 수 있다”고 설명했다. 

김동석 교수는 “대면적 페로브스카이트 박막에서는 국소 영역이 아닌 전체 면적의 구조 균일성을 파악하는 것이 중요하다”며 “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 연구는 UNIST 김동신·이재휘 석·박사통합과정 연구원이 제1저자로 참여했으며, 포항방사광가속기의 UNIST-PAL(6D) 빔라인을 활용해 진행됐다. 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘줄(Joule)’에 7월 23일 온라인 게재됐다. 

연구 수행은 과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단(NRF), 산업통상자원부, 한국에너지기술평가원(KETEP), 한국산업기술진흥원(KIAT), 한국화학연구원(KRICT)의 지원을 받아 이뤄졌다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]