- 부산대 서지연·김효정 교수팀, ‘진공 결정화’ 기술 개발…친환경 공정·대면적 스케일업 기반 마련

- 미니 모듈 19.1% 광전변환 효율, 1년 실외 구동에도 효율 94% 달성해 장기 안정성 입증

유독성 용매를 쓰지 않으면서도 15cm×15cm 크기의 대면적 기판에 결함 없는 균일 박막을 코팅하는 기술이 개발돼, 페로브스카이트 태양전지 상용화의 난제로 꼽혀 온 ‘공정 친환경성’과 ‘확장성(스케일업)’ 문제가 동시에 해소될 전망이다.

부산대학교(총장 최재원) 첨단융합학부 서지연 교수와 유기소재시스템공학과 김효정 교수 연구팀은 페로브스카이트 태양전지의 대면적 제조 공정에서 필수로 사용돼 온 유독성 ‘항용매(Anti-solvent)’*를 완전히 제거하면서도 고품질 박막을 구현할 수 있는 ‘시드 프라이밍 진공 결정화(S-VAC)’** 공정 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.

* 항용매(Anti-solvent): 페로브스카이트 물질을 녹이지 않는 용매로, 박막 코팅 중 빠르게 결정을 형성시키기 위해 떨어뜨리는 액체. 주로 클로로벤젠 등 유독성 발암물질이 사용돼 환경 및 안전 문제가 제기됨.

** S-VAC(Seed-primed Vacuum-Assisted Crystallization): 연구팀이 개발한 기술로, 용액 안에 미리 결정의 씨앗(Seed)을 형성시킨 뒤 진공 장비를 이용해 이를 수직으로 성장시켜 박막을 만드는 공정.

특히 이번 성과는 부산대·한국전력연구원 등 국내 연구팀과 태양전지 분야의 세계적 석학인 스위스 로잔연방공과대학(EPFL) 마이클 그라첼(Michael Gr?tzel) 교수의 국제 공동연구로 수행돼, 기술의 신뢰도와 재현성을 높이는 동시에 향후 실증·사업화 및 글로벌 확산 가능성까지 끌어올릴 전망이다.

지난 2월 4일 부산대 80주년 기념 해외석학 초청특강을 위해 부산대를 방문한 스위스 로잔연방공대 마이클 그라첼 교수와 국내 연구진이 부산대에서 개발한 페로브스카이트 공정 기술로 제작한 미니 모듈을 들고 기념 사진을 촬영을 하고 있다. 왼쪽부터 부산대 권동건 석박사통합과정생, 부산대 김효정 교수, 한화큐셀 문수진 연구소장, 로잔연방공대 마이클 그라첼 교수, 한국전력연구원 김도형 수석, 부산대 서지연 교수.

앞서, 지난 4일 마이클 그라첼 교수는 부산대가 올해 개교 80주년을 기념해 마련한 해외석학 초청특강에 초청돼, 분자 태양전지와 페로브스카이트 태양전지 기술의 과학적 진전 및 산업적 가능성을 국내 연구진과 공유하기도 했다. 부산대는 마이클 그라첼 교수와의 지속적인 후속 연구를 통해 차세대 에너지 전환 연구 지평의 확대와 글로벌 협력 네트워크가 강화될 것으로 기대하고 있다.

페로브스카이트 태양전지는 소면적(단위 셀)에서는 높은 효율을 보이지만, 면적이 커질수록 코팅 불균일과 결함 증가로 효율이 급격히 떨어지는 문제가 상용화의 걸림돌로 지적돼 왔다. 기존 스핀코팅 기반 공정은 빠른 결정화를 유도하기 위해 클로로벤젠 등 유해 물질을 포함하는 항용매를 사용해야 했고, 이는 환경 규제와 작업자 안전 문제는 물론 대면적 공정에서의 균일도 확보를 어렵게 만들었다.

연구팀은 이러한 한계를 해결하기 위해 전구체 용액에 올레일아민(Oleylamine)을 첨가해 용액 내부에 나노 크기의 ‘광활성 시드(Seed)’를 균일하게 미리 형성한 뒤, 진공 공정으로 용매 거동을 제어하며 시드를 수직 방향으로 성장시키는 방식으로 치밀하고 균일한 박막을 구현했다. 이로써 항용매를 전혀 사용하지 않는(Anti-solvent-free) 공정임에도 대면적 박막 품질을 확보할 수 있었다.

실증 결과, 연구팀은 15cm×15cm 크기의 대면적 기판에서도 용액공정으로 결함 없이 균일한 페로브스카이트 박막을 제조했으며, 이를 적용한 미니 모듈은 19.1%의 광전변환 효율을 달성했다. 또한 1년 이상의 실외 구동 테스트에서도 초기 효율의 94% 이상을 유지해 장기 안정성까지 입증했다.

이번 연구에는 부산대 첨단융합학부 서지연 교수와 유기소재시스템공학과 김효정 교수, 스위스 로잔연방공대 마이클 그라첼 교수, 한국전력연구원 김도형 수석연구원이 교신저자로 참여했으며, 부산대 나노융합기술학과 김선주 박사과정생과 권동건 석박사통합과정생이 공동 제1저자로 수행했다.

서지연 부산대 교수는 “이번 연구는 페로브스카이트 태양전지 상용화의 최대 걸림돌이었던 ‘대면적 균일 코팅’ 과 ‘공정의 유독성’ 문제를 동시에 해결한 획기적인 성과”라며 “향후 친환경적이고 효율적인 대량 생산 공정 개발에 크게 기여할 것으로 기대한다”고 말했다.

해당 연구 결과는 에너지 소재 분야의 국제 학술지 『어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)』 1월호에 게재됐다.

논문 제목:Uniform Monolithic Perovskite Films for Scalable Modules: Anti?Solvent?Free Crystallization via Seed Priming and Vacuum Processing[대면적 모듈을 위한 균일 페로브스카이트 박막: 시드 프라이밍 및 진공 공정을 통한 무(無) 항용매 결정화 기술] - 논문 링크: https://doi.org/10.1002/aenm.202506521

이번에 개발한 기술(S-VAC)이 작은 셀뿐만 아니라, 큰 태양전지 판(모듈)으로 만들었을 때도 세계 최고 수준의 성능을 냈음을 나타냄. 기존 기술 대비 향상된 성능을 볼 수 있으며, 국내 인증기관에서 측정한 태양전지 성능곡선은 15×15㎠ 면적에서 19.1%의 효율을 보여줌.