첨가제 도입에 따른 코팅 시 용액의 흐름 특성 변화 / 사진. 한국과학기술연구원
한국과학기술연구원(이하 KIST) 차세대태양전지연구센터 손해정 박사 연구팀이 계절 및 습도 변화와 무관하게 고성능 태양전지를 제작할 수 있는 새로운 용액 공정 기술을 개발했다. 이 기술은 고비용 드라이룸(Dry Room) 없이도 대면적 고효율 태양전지를 구현할 수 있어, 제조 단가 절감과 생산 안정성을 동시에 확보할 수 있는 핵심 기술로 부상하고 있다.
태양전지는 햇빛을 전기로 바꾸는 대표적 친환경 에너지원으로, 특히 용액 공정 기반 태양전지는 저비용·대면적 제작에 유리한 장점을 지닌다. 하지만 고습도 환경에서는 박막 형성이 불균일해져 성능이 저하되는 단점이 있어, 고성능 제품 생산을 위해서는 고가의 드라이룸이 필수였다.
KIST 연구팀은 이러한 공정 민감성을 해결하기 위해, 박막 형성 과정 중 용액의 흐름을 제어할 수 있는 특수 첨가제를 개발했다. 해당 첨가제는 공정 환경의 습도 변화에 따른 용액 내 흐름 불균형을 보정함으로써, 박막의 균일성을 확보하는 역할을 한다.
실제로 연구진은 습도 변화가 태양전지의 광활성층 형성에 미치는 영향을 정밀 분석했다. 습도가 높아질수록 기판 표면의 에너지 변화로 인해 용액의 유동 특성이 달라지며, 이로 인해 박막 내부의 나노 구조가 불균일해지고 전체 성능이 떨어지는 것으로 나타났다. 이러한 문제는 고온다습한 여름철이나 저온건조한 겨울철 모두에서 발생 가능해, 생산 공정의 일관성을 해치는 요인이었다.
이번 연구를 통해 도입된 첨가제는 습도 10~70%의 넓은 범위에서도 ±2% 이내의 성능 편차만을 보이며, 발전 효율은 기존 15.1%에서 16.3%로 향상됐다. 이는 기존 상용 제품 수준을 뛰어넘는 수치로, 동일 면적에서 더 많은 전력을 안정적으로 생산할 수 있는 기반을 마련한 것으로 평가된다.
또한 본 기술은 기존 용액 공정 라인에 그대로 적용 가능해 경제성에서도 뛰어난 장점을 지닌다. 고가의 드라이룸 설치 없이 생산 라인의 안정성을 확보할 수 있어, 고효율 태양전지 상용화에 새로운 가능성을 제시하고 있다. 특히 중국 등 글로벌 경쟁이 치열한 차세대 태양전지 시장에서 원가 경쟁력을 갖춘 핵심 기술로 주목된다.
KIST 손해정 박사는 “이번 기술은 재현성 문제 해결을 통해 제조 안정성과 비용 효율을 동시에 확보할 수 있는 성과”라며, “향후 적층형 초고효율 태양전지 개발에도 본 기술을 확대 적용하고, 관련 산업계 및 국제 연구 협력을 강화해 나갈 계획”이라고 말했다.
한편, 본 연구는 과학기술정보통신부 지원 하에 KIST GRaND Challenge 주요사업의 일환으로 수행됐으며, 연구 성과는 에너지 분야 권위 학술지인 ‘Joule」 2025년 최신호’에 게재됐다.
