휠 수 있는 얇은 태양전지, 금속 나노잉크로 값싸고 친환경적으로

 

- 기존 나노잉크 공정의 유기물 분산제 사용 없이 안정적인 나노잉크 제조
- 저비용, 고효율 박막태양전지 상용화 가능성 열어
- Journal of Materials Chemistry A 표지논문 선정

 

나노잉크를 프린팅하는 제작기법을 사용해 얇은 막 모양의 형태로 건물이나 웨어러블 기기에 사용이 가능한 박막태양전지를 값싸게 만들 수 있는 공정이 개발되었다. 고가의 진공 장비나 독성 분산제를 사용하지않아 친환경적이고 저가의 박막태양전지 개발이 가능해졌다.

 

한국과학기술연구원(KIST, 원장 이병권) 이도권(광전하이브리드연구센터)박사팀은 금속 나노잉크 프린팅 공정으로 제조비용을 절감하면서도 효율이 높은 박막태양전지를 제조할 수 있는 기술을 개발했다고 밝혔다.

 

박막태양전지는 현재 가장 많이 쓰이는 실리콘 계 태양전지에 비해 자유롭게 형태를 변형할 수 있고 가벼워서 건물, 휴대용, 웨어러블 기기 등으로 응용처가 크게 확장될 것으로 기대된다. 그러나 박막태양전지 제조에는 보통 고가의 반도체 공정에 쓰이는 진공 장비가 사용되기 때문에 제조 단가 절감에 어려움이 있다.

 

연구진이 개발한 나노잉크 프린팅 공정은 기존의 박막태양전지 제조 공정에 사용되는 고가의 진공 장비가 필요 없고 유연한 기판을 이용하는 연속공정에 적용 가능하므로 공정비용이 저렴할 뿐 아니라 대량생산에 적합한 장점이 있다.

 

기존의 나노잉크 기술에서는 나노입자가 서로 엉기는 현상을 막고 치밀한 코팅 막을 얻기 위해 비싸고 독성이 있는 유기물 분산제를 첨가해야하고, 프린팅 후 고온 공정을 거쳐 유기물을 다시 분해해야했다. 또한, 유기물이 완전히 분해되지 않을 경우 박막에 남는 탄소 잔유물이 태양전지 성능을 저하시키는 단점이 있었다.

 

이도권 박사팀은 친환경적인 에탄올 용매 이외에는 어떤 유기물도 첨가하지 않고 세라믹 볼을 회전시켜 얻은 기계적 에너지만으로 나노입자를 균일하게 분산시키고 이를 치밀한 박막 형태로 만드는데 성공했다. 제조된 나노잉크는 대기 중에서 최소 한 달 이상 안정한 상태를 유지해 기존 유기물 분산제를 사용한 나노잉크와 비교해 우수한 안정성을 나타냈다.

 

특히, 나노잉크의 재료로 구리-인듐 계 금속 나노입자를 사용함으로써, 금속 원자들이 셀레늄과 만나 화합물을 이루는 과정에서 일어나는 부피 팽창을 적극적으로 이용하여 표면에 구조 결함이 없는 고품질의 구리-인듐-셀레늄 (CIS) 박막태양전지를 제조했다. 그 결과, 연구팀은 유사한 화합물로 구성된 저가형 태양전지 중 가장 높은 광 변환 효율인 11.4%를 달성하였다.

 

현재 박막태양전지의 시장 규모는 약 3 조로 개발한 공정을 활용할 경우 최대 30%의 제작비용 감소 효과가 있다. 또한 광변환 효율을 15%까지 올리게 되면 휴대용 전자기기의 이동용 전원 등으로 활용이 가능할 것으로 보인다.

 

이도권 박사는 “유기물 분산제를 사용하지 않고 고품질의 박막을 형성할 수 있는 나노잉크 제조 기술은 그동안 사례가 없었던 일이다”며“박막 반도체의 밴드갭 조절 등을 통해 효율 향상의 여지가 충분하기 때문에 저비용, 고효율 박막태양전지의 구현을 한층 앞당길 수 있을 것으로 기대된다 ”고 말했다.

 

이번 성과는 KIST-UNIST-울산시 융합 신소재 연구센터 및 KIST 미래원천사업의 지원으로 UNIST 송명훈 교수팀과의 공동연구로 이루어졌으며, 에너지 분야 Journal of Materials Chemistry A에 8월 21자 표지논문으로 선정되었다.

 

 

* (논문명) High-density Cu In intermetallic nanocrystal layers: towards printable CuInSe2 solar cells with high efficiencies
 - (제1저자) 한국과학기술연구원  광전하이브리드연구센터, 과학기술연합대학원    대학교(UST) 석사과정 이병석 학생연구원
 - (교신저자) 한국과학기술연구원 광전하이브리드연구센터 책임연구원 이도권