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에너지硏, 차세대 투명 태양전지로 탄소중립사회 구현미래형 에너지하베스팅 투명 태양전지 기술개발
차세대 투명 태양전지기술, 재료과학분야 저명학술지 ‘Nano Energy’ 게재

2050 탄소중립 사회구현을 위한 에너지 전환과 그린뉴딜 추진의 핵심과제로 재생에너지 확대 노력이 가속화되고 있는 가운데 차세대 고부가가치 태양광 분야에 적용할 수 있는 미래형 에너지하베스팅 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

※에너지하베스팅(energy harvesting): 태양광, 바람, 물, 진동, 온도 등의 자연에너지 또는 일상생활에서 버려지는 에너지를 수확(harvesting) 또는 채집 사용(scavenge)해 전기에너지로 재생산하는 기술

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 전기생산과 함께 태양빛의 일부를 투과시켜 시각적인 투광성도 동시에 확보할 수 있는 고효율 CIGS 양면투광 태양전지 핵심기술을 개발했다.

투광형 셀

개발기술을 통해 가시광 투과도 10% 이상에서 발전효율이 단면 10%와 양면 15% 이상의 성능을 확보했다. 이 세계최고 수준의 연구결과는 재료과학분야 저명 국제 학술지인 Nano Energy에 게재됐다. (온라인 게재 2021.01.01.; 오프라인 2021.04.01. 예정)

※CIGS 박막 태양전지: 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이루어진 Cu(In,Ga)Se2 무기화합물을 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로 실리콘 태양전지 이후 가장 앞선 상용화가 이루어지고 있는 미래 기술
※Nano Energy: IF: 16.602, Materials Science 분야 JCR 상위 4.3% 학술지

태양광 발전은 각국 정부의 재생에너지 보급 확대를 위한 지속적인 연구개발 지원을 통해 효율과 내구성 등의 성능향상을 이루었다.

이를 통해 화석연료 기반의 기존 발전기술과도 경쟁이 가능한 수준으로 발전하고 있다. 그러나 탄소제로 사회 구현을 위해서는 기존 대규모 발전이나 지붕형 태양광 이외에 기존에 없던 새로운 응용분야에 적용함으로써 태양광 보급을 획기적으로 확대할 수 있는 혁신적인 태양전지 기술 확보가 필요한 상황이다.

투명 태양전지는 전기 생산과 가시광 빛 투과를 함께 구현할 수 있어 건물 외벽과 창호, 도시구조물, 모빌리티, 디바이스 등 다양한 에너지하베스팅 전지로써 적용이 기대되고 있다. 그러나 아직까지 효율, 투광성, 내구성, 저조도 발전성능 등을 다함께 갖춘 태양전지 기술개발은 이루어지지 않고 있다.

현재 상용화가 일부 진행되고 있는 투명 태양전지는 기존에 개발된 태양전지의 일부를 긁어내거나 구멍을 뚫는 방식으로 제작된다.

이 때문에 낮은 성능, 높은 생산단가 그리고 투명한 부분과 불투명한 부분의 교차로 시각적인 불편함을 주는 단점이 있다. 또한, 유기나 유무기 화합물 광흡수층을 이용한 투명 태양전지는 장시간의 빛조사나 높은 온습도 환경에서 단시간에 성능이 크게 감소하는 단점을 보여주고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 태양광연구단 조준식 책임연구원(교신저자)은 빛조사나 온습도 내구성이 우수한 무기소재인 CIGS 광흡수층 양쪽면에 기존 몰리브데늄(Mo) 금속전극과 달리 빛가림이 없는 인듐주석 산화물(Sn-doped indium oxide; ITO) 투명전극을 사용했다.

또한 광흡수층의 두께를 입사된 가시광의 일부를 투과시킬 수 있는 0.3마이크로미터 이하로 정밀 제어해 자체적인 투과가 가능한 양면발전형 투명 태양전지 기술을 개발했다.

이 기술은 기존 CIGS 태양전지 제조에 사용한 복잡한 3단계 동시증발공정 대신 단순하고 재현성이 우수한 단일단계 동시증발공정을 사용해 증착시간은 절반수준으로 줄이고 광흡수층 두께는 기존 2마이크로미터에서 0.3마이크로미터 이하로 줄여 기존 공정보다 소재 사용량과 공정시간을 10분의 1수준으로 획기적으로 절감했다.

이와 함께 가시광이 투과될 수 있는 얇은 광흡수층과 양면 투명전극을 이용한 소자 구조로 자연스러운 투광성을 확보할 수 있어 기존 기술대비 생산수율을 높이고 제조비용도 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

또한 이 기술을 통해 증착시간을 짧게 하고 공정온도도 기존 650℃에서 550℃ 이하로 낮게 함으로써 기존 CIGS 광흡수층과 투명전극사이의 불필요한 화학반응으로 인한 전기 저항층 생성을 억제해 효율성능을 크게 향상시킬 수 있었다.

얇은 광흡수층 사용으로 발생할 수 있는 효율 저하는 나노 표면구조를 갖는 저반사 광산란층을 새로이 적용하고 태양전지 양쪽면에서 빛을 동시에 흡수할 수 있는 소자구조 실현을 통해 광이용율을 향상시켜 해결했다.

저반사 광산란층 기술은 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)이라고 불리우는 고분자 위에 나노임프린팅 기술을 이용해 마이크로미터 크기의 거친 표면형상을 만들었다.

그리고 이를 투명 태양전지 전면에 부착시켜 입사광의 산란을 크게 함과 동시에 반사도 최소화해 얇은 광흡수층 내에서도 빛을 최대한 흡수시킬 수 있는 방법이다.

또한 제조된 투명 태양전지는 양면 투광구조를 갖고 있기 때문에 전면과 후면에서 입사되는 직달광과 산란광을 모두 전기 생산에 사용할 수 있어 기존 단면 구조 태양전지에 비해 20%이상 향상된 전력생산이 가능하다.

※나노임프린팅: 반도체 공정에서 사용하는 전통적인 리소그래피 방식과 달리 낮은 가격으로 고분자 표면에 직접적인 기계적 변형을 통하여 나노구조 패턴을 형성하는 방법

연구진은 이번에 확보한 기술을 기반으로 향후 고부가가치 태양광 에너지하베스팅 소자로의 적용성을 확대하기 위해 높은 효율을 유지하는 동시에 가시광 투과도를 보다 향상시킬 수 있는 광이용 최적화 기술과 심미성 향상을 위한 색상구현 기술개발을 추진하고 있다. 그리고 이와 동시에 상용화를 위한 소자 대면적화 기반기술 확보도 추진할 예정이다.

곽지혜 재생에너지연구소 소장은 “개발기술은 차별화된 새로운 소자구조와 공정을 이용해 기존 상용 태양전지 기술의 성능과 응용한계를 극복할 수 있는 태양전지 초격차 기술로 발전이 가능하다.”며 “다양한 태양광 응용분야 발굴을 통한 태양광 보급 확대로 정부가 추진 중인 탄소중립과 그린뉴딜 정책 실현에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.”고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국에너지기술연구원의 주요사업인 ‘에너지 전환 3020/4035 실현을 위한 재생에너지 혁신기술 개발’ 과제의 일환으로 수행됐다.

[왼쪽 위] 본 기술개발을 통해 제조된 CIGS 양면 투광 태양전지 샘플

[오른쪽 위] PDMS 저반사 광산란층이 부착된 CIGS 투광 태양전지 개략도. 사진은 나노임프린팅 기술로 PDMS 표면 위에 형성된 마이크로미터 크기의 거친 표면형상을 보여주는 주사전자현미경(SEM)

[왼쪽 아래] PDMS 저반사 광산란층 부착 전후의 CIGS 투광 태양전지 성능을 보여주는 전류-전압 곡선. PDMS층의 부착 전후로 CIGS 투명 태양전지의 전류밀도는 19 mA cm-2 (부착 전, w/o PDMS)에서 21 mA cm-2 (부착 후, w/o PDMS)로 약 2 mA cm-2 만큼 증가함. 결과적으로 PDMS 저반사 광산란층 적용으로 CIGS 투명 태양전지 효율은 9%에서 10.5%로 향상됐다.

[오른쪽 아래] PDMS 저반사 광산란층의 광학적 특성 (투과 transmittance, 산란 haze, 반사 reflectance) 그래프와 PDMS 저반사 광산란층 실제 사진. 제조된 PDMS 저반사 광산란층은 5% 수준의 낮은 반사도와 95% 이상의 산란도를 갖고 있어 표면반사율을 낮추고 입사빛을 태양전지쪽으로 최대한 산란시켜줄 수 있다.

왼쪽 사진은 PDMS 저반사 광산란층을 바닥에서 들었을 때 높은 산란으로 뿌옇게 보이는 것을 나타냄. 오른쪽 사진은 PDMS 저반사 광산란층을 바닥에 밀착시켰을 때 표면반사를 낮추어 높은 투과도를 보여준다.

김영환 기자  yyy9137@naver.com

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