파나소닉(Panasonic Corporation)이 유리 기질을 활용한 경량화 기술과 잉크젯 인쇄 기술을 바탕으로 한 광역 코팅 기술을 개발하여 페로브스카이트 태양 에너지 모듈(개구 면적 802cm2: 길이 30cm x 너비 30cm x 두께 2mm)로 16.09%라는 세계 최고의 에너지 전환 효율을 달성했다.

이는 신재생 에너지 및 산업기술 개발 기구(New Energy and Industrial Technology Development Organization, NEDO)의 프로젝트 일환으로 실시됐다. NEDO는 ‘고성능 및 고안정성 광전지 전력 생산에 대한 에너지 생산 비용을 낮추는 기술 개발’을 통해 태양 에너지 생산을 널리 확산하고자 앞장서고 있다.

넓은 영역을 포괄할 수 있는 잉크젯 기반 코팅 기술은 모듈 제작 비용을 낮춘다. 뿐만 아니라 이 고효율 광역 경량 모듈은 기존 태양 에너지 패널을 설치하기 어려운 건물 외벽 등의 장소에서도 높은 효율로 태양 에너지를 생산할 수 있다.

앞으로 NEDO와 파나소닉은 계속해서 페로브스카이트 레이어 소재를 향상하여 크리스털 실리콘 태양 전지보다 더 높은 효율을 달성하고 이 기술을 새로운 시장에서 실제 적용이 가능하도록 구축할 계획이다.

1. 배경

세계에서 가장 널리 사용되고 있는 크리스털 실리콘 태양 전지는 일본에서 대규모 태양광 발전소, 주거지, 공장 및 공공시설 등의 분야를 시장으로 삼고 있다. 이 시장에 침투하고 새 시장을 확보하려면 태양 에너지 모듈을 더 밝고 크게 만드는 것이 중요하다.

페로브스카이트 태양 전지는 전력 생산 레이어를 포함한 두께가 크리스털 실리콘 태양 전지의 100분의 1밖에 되지 않는다는 구조적 장점 덕분에 무게가 더 가볍다. 가벼운 성질로 인해 투명 전도성 전극을 사용하여 외벽이나 창문 같은 다양한 위치에 배치가 가능하여 순 에너지 소비량 제로 건물(Net Zero Energy Buildings, ZEB)의 확산을 이끌 것으로 기대된다. 뿐만 아니라 각 레이어에 기질을 바로 코팅할 수 있어서 기존 기술에 비해 더 저렴하게 생산된다. 페로브스카이트 태양 전지가 차세대 태양 전지로 주목을 받는 이유다.

한편 페로브스카이트 기술이 크리스털 실리콘 태양 전지보다 좁은 영역에서 25.2%의 에너지 전환 효율을 달성하기는 했으나 기존 기술로는 넓은 영역에 소재를 균일하게 코팅하기가 매우 어렵다. 그 결과 에너지 전환 효율은 감소할 수밖에 없었다.

이러한 배경을 극복하기 위해 NEDO는 ‘고성능 및 고안정성 광전지 전력 생산에 대한 에너지 생산 비용을 낮추는 기술 개발’ 프로젝트를 통해 태양 에너지 생산을 널리 퍼뜨리는 데 앞장서고 있다. 이 프로젝트의 일환으로 파나소닉은 페로브스카이트 태양 전지 모듈의 기질에 적용할 수 있는 잉크 생산을 포함한 잉크셋 방식 기반 광역 코팅 기술과 유리 기질을 활용한 경량화 기술을 개발했다. 이 기술을 통해 파나소닉은 페로브스카이트 태양 전지 모듈(개구 면적 802㎠: 길이 30cm x 너비 30cm x 두께 2mm)로 16.09%라는 세계 최고의 에너지 전환 효율을 달성했다.

뿐만 아니라 제조 과정에서 잉크젯 방식을 활용한 광역 코팅 기술을 채택하면 비용도 낮출 수 있으며, 이 모듈의 경량, 광역, 고효율 전환 등의 특징을 통해 건물 외벽 등 기존 태양 에너지 패널을 설치하기 어려웠던 장소에서도 고효율 태양 에너지 생산이 가능해진다.

파나소닉은 페로브스카이트 레이어 소재를 향상하여 크리스털 실리콘 태양 전지보다 더 높은 효율을 달성하고 이 기술을 새로운 시장에서 실제 적용이 가능하도록 구축할 계획이다.

2. 성과

원자재를 균일하고 정확하게 코팅 가능한 잉크젯 코팅 방식에 초점을 맞춤으로써 파나소닉은 이 기술을 유리 기질의 페로브스카이트 레이어를 포함한 태양열 전지의 각 레이어에 적용하여 광역 모듈에서 높은 에너지 전환 효율을 실현했다.

[기술 개발 요점]
(1) 잉크젯 코팅에 알맞은 페로브스카이트 전구체 구성요소 개선
페로브스카이트 크리스털을 형성하는 원소 그룹 가운데 메틸아민은 모듈 생산 도중 가열 과정에서 열 안정성 문제를 일으켰다. 메탈아민은 열을 받으면 페로브스카이트 크리스털에서 제거되면서 크리스털의 특정 부분을 파괴했다. 메탈아민의 특정 부분을 지름이 적당한 포름아미디늄, 세슘, 루비듐으로 교체하자 크리스털 안정에 효율적이었으며, 이 방식은 높은 에너지 전환 효율성으로 이어졌다.

(2) 페로브스카이트 잉크의 농도, 코팅양 및 코팅 속도 조절
잉크젯 코팅 방식의 박막 형성 과정에서 소재의 닷 패턴과 크리스털화의 균일성을 각 레이어에 유지하는 것이 중요하지만, 코팅 패턴에는 조절할 수 있는 여지가 있다. 페로브스카이트 잉크의 농도를 조절하고 코팅양과 코팅 속도를 정확하게 통제하여 이 요구 조건을 충족함으로써 광역 모듈의 높은 에너지 전환 효율을 달성했다.

파나소닉은 이 기술을 각 레이어의 코팅 과정에 최적화하여 크리스털 성장을 강화하고 크리스털 레이어 두께의 균일성을 높이는 데 성공했다. 그 결과 에너지 전환 효율을 16.9%로 높이며 실제 적용에 한 걸음 다가섰다.

3. 향후 계획

NEDO와 파나소닉은 광역 페로브스카이트 모듈에 대해 낮은 생산 비용과 가벼운 무게를 실현함으로써 태양 전지가 배치되거나 채택된 적이 없었던 신시장을 개척할 계획이다. 페로브스카이트 태양 전지와 관련된 각 소재의 개발을 바탕으로 NEDO와 파나소닉은 크리스털 실리콘 태양 전지보다 높은 효율을 달성하고 생산 비용을 와트당 15엔으로 낮추는 것을 목표로 한다.

이 결과는 쓰쿠바 국제콘퍼런스센터(Tsukuba International Conference Center)에서 개최된 IPEROP20(Asia-Pacific International Conference on Perovskite, Organic Photovoltaics and Optoelectronics)에서 발표됐다.