유리와 같은 값싼 재료 위에 붙일 수 있는 얇은 태양전지인 박막태양전지는 원가가 저렴하고 다양하게 활용할 수 있어 미래 태양광 기술로 주목받고 있다. 하지만 제작공정이 까다로워 상용화에 걸림돌이 되어왔다.
국내 연구진이 인체에 유해한 화학 용매 없이 원료들을 기계적으로 회전시켜 박막태양전지에 쓰이는 나노결정을 개발했다. 개발한 공정은 기존 유해 화학용매를 사용한 것보다 10시간 이상 시간을 단축할 수 있고 원료로 사용된 원소들 역시 지구상에 많이 존재하는 원소로 이루어져 원료비 절감효과까지 있는 것으로 밝혀졌다.
이번 연구 성과는 나노기술 분야의 국제학술지 나노스케일(Nanoscale) 온라인판에 "Solvent-Free Synthesis of Cu2ZnSnS4 Nanocrystals: A Facile, Green, Up-scalable Route for Low Cost Photovoltaic Cells"의 제목으로 9월 게재되었다.
이 연구는 무독성 원료를 사용하여 생산 공정의 혁신을 주도하는 등 연구의 우수성 및 참신함을 인정받아 10월 21일자 표지논문으로 선정되었다. <그림 1>
지금까지 주로 개발된 박막태양전지는 CIGS(구리-인듐-갈륨-셀레늄) 또는 CdTe(카드뮴-테릴륨) 화합물에 기반한 것이다. 이들은 인듐, 갈륨, 테릴륨과 같은 희소 원소 또는 카드뮴과 같은 유해 원소로 이루어진데다 값이 비싸 상용화에 어려움이 있었다
이러한 박막태양전지를 만드는 데는 다양한 공정 방법이 있는데 연구팀은 그중 가격경쟁력이 높은 프린팅 방법을 사용했다. 프린팅 방법은 나노분말 원료를 잉크로 만들어서 인쇄하듯 태양전지를 만드는 방법으로 다른 공정에 비해 공정처리에 드는 비용이 저렴한 것이 특징이다.
지금까지 많은 국내외 연구자들이 CZTS 나노결정을 제조하기 위해 화학용액 반응법을 사용했다. 그러나 이는 유해한 화학용매를 사용하므로 제조과정에 주의가 요구되며, 높은 온도로 처리해야 하기 때문에 비용이 높고, 반응 후에 오염물질을 남기는 단점이 있었다.
연구팀은 오염을 피하기 위해 구리, 아연, 주석, 황만을 기계화학적으로 반응시켜 CZTS 나노결정을 합성하는 데 성공하였다. 원료 분말들을 큰 구슬(볼)들과 함께 통에 넣은 후 회전시켜 기계적 에너지를 주면 분말들은 분쇄되면서 에너지를 축적하게 되는데 그런 축적과정을 거쳐 자발적인 화학반응에 이르게 된다.
연구팀은 이때 발생하는 반응열에 의해 급격한 화학반응이 연쇄적으로 일어나는 원리를 이용했다. 이 방법은 고온 공정이 필요 없고 용매의 건조, 나노입자 분리, 유기물 제거 등의 공정 단계를 생략할 수 있어 공정 시간을 10시간 이상 획기적으로 단축시킬 수 있다.
연구진은 개발한 나노결정 잉크를 박막태양전지에 활용한 결과 고효율, 초저가, 프린터블 박막태양전지가 제조 가능함을 보여주었다.
KIST 연구팀은 “개발된 박막태양전지 제조 기술은 무독성, 범용 원소들로 이루어진 나노결정 원료를 유해한 화학물질을 사용하지 않고 이차적인 오염물질의 생성 없이 대량 생산가능하다는 점에서 획기적”이라며 “또한, 제조된 나노결정이 대기 중에서 1년 이상 화학적, 구조적으로 안정하다는 것이 확인되어 분말공정을 이용한 박막태양전지의 상용화에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
이번 연구는 KIST의 기관고유연구사업 및 기초기술연구회 NAP(National Agenda Project)사업의 연구비 지원으로 수행되었다.
조원영 jwycp@hanmail.net
