페로브스카이트 태양전지의 롤투롤 코팅 공정 기술 및 제조 장비
한국화학연구원 화학플랫폼연구본부 화학소재솔루센터 함동석 박사
기후변화의 위기 속에서 탄소 중립실현과 같은 세계적인 기조에 맞춰 태양광 에너지, 연료전지 등의 신재생에너지가 각광받고있습니다.
특히 신재생에너지 중 대표적으로 활용되고있는 에너지는 태양광 에너지로, 현재는 기존의 고정된 형태의 실리콘태양전지를 뛰어넘어 다양한 활용성을 지닌 유연 태양전지가 새로운 에너지 발전원으로 대두되고 있습니다. 기존의 실리콘 태양전지와 달리 플렉서블한 특성을 지닌 태양전지를 만들기 위해 선택된 물질은 바로 페로브스카이트입니다.
그러나 지금까지의 페로브스카이트 태양전지 스핀코틴과 같이 작은 면적의 코팅 위주로 수행을 해왔기에 상업화를 위한 대면적 양산이 어렵다는 문제가 있었습니다. 이를 해결하기 위해 한국화학연구원에서는 롤투롤 코팅 공정을 기반으로 한 페로브스카이트 태양전지 제조 기술을 개발해 냈습니다.
롤투롤 공정의 가장 큰 장점은 제품의 두께가 얇아 유연성의 증가할 뿐만 아니라 가벼워지게 되어 기존의 뻣뻣하고 잘 휘어지지 않는 제품들에 비해 휴대성이 증가하게 된다는 점입니다. 또한 기존에 사용하기 어려웠던 굴곡진 곳에 제품을 적용할 수 있다는 장점도 있습니다. 아울러 20m/min 이상의 고속생산이 가능하기 때문에 제조 단가를 상당 부분 낮출 수 있고, 가볍고 적은 부피 덕분에 운송료와 보관료 등의 간접비 감소가 가능합니다. 이처럼 많은 장점을 가지고 있는 롤투롤 공정이지만, 그동안은 페로브스카이트 태양전지를 제작에 적용하는데 어려움의 존재했습니다.
이는 페로브스카이트 물질의 특성에 의한 것으로 빠른 결정화 속도로 인해 이를 조절하지 못하면 불균일하고 거친 결정이 형성되어 낮은 품질의 태양전지를 제조할 수 밖에 없다는 문제점을 지니고 있었습니다.
한국화학연구원은 이와 같은 한계를 극복하기 위한 연구를 통해 상용화가 가능한 페로브스카이트 태양전지의 롤투롤 코팅공정 기술을 개발하는데 성공했습니다. 페로브스카이트 태양전지의 연속 제조기술의 핵심은 반용매 공정이 롤투롤 코팅에 적용 가능한 장비 및 공정 기술이란 점입니다.
잘 녹지 않은 성질을 가진 반용매를 결정이 성장하기 전에 떨어뜨리면 결정한 속도로 조절할 수 있어 균일한 박막코팅이 가능한데요. 이와 같은 특성 덕분에 기존 스핀 코팅 공정에서는 널리 사용되고 있었지만, 전용 장비의 부재와 공정에 조절에 어려움으로 롤투롤 코팅공정에서는 활용되고 있지 않았습니다.
그러나 한국화학연구원에서는 롤투롤 반용매 코팅 공정 및 장비를 개발해 롤투롤에서도 반용매을 활용, 대면적양산 환경에서도 균일한 코팅이 가능한 환경을 구축했습니다. 롤투롤 반용매 코팅 공정은 다음과 같은 흐름으로 진행됩니다.
먼저 슬롯다이 코팅 단계에서 페로브스카이트를 코팅한 뒤 건조층 형성 단계를 거치고, 반용매 접촉공정에 들어갑니다.
이후 마지막으로 열처리를 진행하면 모든 과정이 완료됩니다. 이렇게 제작된 박막은 불균일하고 거친표면을 가진 기존 장비를 활용해 제작한 코팅막과는 달리 깨끗하고 균일한 표면을 지니고 있어, 기존 코팅 장치에 비해 높은 광전변화 효율을 확보할 수 있습니다. 한국화학연구원은 이를 기반으로 위험페로브스카이트 태양전지를 활용한 신규산업 분야의 기틀을 다지고있습니다.