중국의 기업과 대학으로 구성된 혁신팀이 최근 태양전지 재료인 페로브스카이트(perovskite)를 활용해, 평방미터급 모듈의 안정적인 대량 생산을 실현할 수 있는 혁신적 코팅 기술을 제안했다.
이 성과는 페로브스카이트 기술을 실험실 단계에서 산업화 단계로 끌어올리는 데 큰 진전을 가져왔으며, 관련 연구 결과는 국제 학술지 《사이언스(Science)》에 게재됐다.
논문의 제1 저자이자 책임저자인 옌부이(顔歩一) 항저우셴나광전과기(杭州繊納光電科技)¹ 최고기술책임자(CTO)는 페로브스카이트 태양전지가 ‘제3세대 태양광 발전 기술’로 불리며, 유연성과 경량성 등의 특성을 갖추고 있어 흐린 날씨에서도 비교적 안정적인 광전 변환 효율을 유지할 수 있다고 설명했다.
페로브스카이트 태양전지의 핵심은 광 흡수층인 페로브스카이트층이다. 이는 페로브스카이트 용액을 막 형태로 형성하고 결정화하는 과정을 통해 제조된다. 하지만 기존 공정은 결정의 평탄도와 두께 균일성 확보가 어렵고, 이에 따라 전지 효율에 부정적인 영향을 끼쳐왔다.
이에 대해 저장대학교와 저장이공대학교의 효율 향상 전략 및 이론 계산 지원을 바탕으로, 연구팀은 ‘3차원 층류장 기술’을 제안하고, 페로브스카이트 박막의 대면적 결정 균일성 확보라는 핵심 기술적 난제를 해결했다.
옌 CTO는 “3차원 층류장 기술은 스핀 코팅과 진공 플래시 증착 방식을 정교하게 조합해, 유리 기판 위로 안정적이고 균일하며 방향성을 가진 기류를 형성·건조시킴으로써, 보다 균일한 결정화를 가능하게 했다”라고 밝혔다.
수치 유체역학 시뮬레이션을 통해 최적화한 이 기술은 박막 두께를 정밀하게 제어할 수 있으며, 0.79㎡ 크기의 박막에서 두께 편차를 3마이크로미터 이하로 억제하는 데 성공했다.
기존 공정 대비, 이번 기술은 표면 결함을 줄이고 결정 형태를 최적화했으며, 잔류 용제를 약 90%까지 줄이는 데에도 성공했다. 야외 실증 실험 결과, 해당 기술을 적용한 페로브스카이트 모듈의 열화율은 10년 기준 10% 이하로 추산되며, 이는 태양광 모듈의 수명 요건을 충분히 충족한다.
또한 이 기술을 바탕으로 구축된 100메가와트급 페로브스카이트 양산 라인에서는 모듈 수율이 98.5%를 초과했고, 0.79㎡ 크기의 모듈 출력은 118와트에 달했다. 이를 기반으로 건설된 500킬로와트급 상업용 발전소에서는 설비 용량당 등가 피크 지속시간이 기존 결정질 실리콘 모듈보다 29% 길고, 고온기 발전량은 31.9% 더 많은 것으로 나타났다.
참고자료
1) 光明网 : 稳定批量生产!我国成功攻克这项技术难题
2) IT之家 :中国团队攻克钙钛矿规模化生产技术难题,从实验室走向规模化应用
3) 논문주소 : https://www.science.org/doi/10.1126/science.adt5001
¹ Hangzhou Xianna Optoelectronics