[지금은 과학] 전기 만들면서 투명하기까지…차세대 태양전지 나왔다

[아이뉴스24 정종오 기자] 차세대 투명 태양전지가 개발됐다.

전기생산과 더불어 투명성이 보장돼 건물외벽과 창호, 도시구조물, 모빌리티, 디바이스 등의 차세대 태양광 시장을 선점할 수 있을 것으로 기대된다.

2050 탄소 중립 사회구현을 위한 에너지 전환과 그린뉴딜 추진의 핵심과제로 재생에너지 확대 노력이 가속화되고 있다. 이런 가운데 국내 연구팀이 차세대 고부가가치 태양광 분야에 적용할 수 있는 미래형 에너지 하베스팅 태양전지 기술을 개발했다.

에너지 하베스팅(energy harvesting)은 태양광, 바람, 물, 진동, 온도 등의 자연에너지 또는 일상생활에서 버려지는 에너지를 수확(harvesting) 또는 채집 사용(scavenge)해 전기에너지로 재생산하는 기술을 말한다.

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 전기생산과 함께 태양 빛의 일부를 투과시켜 시각적 투광성도 동시에 확보할 수 있는 고효율 CIGS 양면투광 태양전지 핵심기술을 4일 내놓았다. 개발기술을 통해 가시광 투과도 10% 이상에서 발전효율이 단면 10%와 양면 15% 이상의 성능을 확보했다.

CIGS 박막 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이뤄진 Cu(In,Ga)Se2 무기화합물을 광 흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로 실리콘 태양전지 이후 가장 앞선 상용화가 이뤄지고 있는 미래기술이다.

◆투명하니까 곳곳에 사용할 수 있어

투명 태양전지는 전기생산과 가시광 빛 투과를 함께 구현할 수 있어 건물 외벽과 창호, 도시구조물, 모빌리티, 디바이스 등 다양한 에너지 하베스팅 전지로써 적용이 기대되고 있다. 아직 효율, 투광성, 내구성, 저조도 발전성능 등을 함께 갖춘 태양전지 기술개발은 이뤄지지 않았다.

상용화가 일부 진행되고 있는 투명 태양전지는 기존에 개발된 태양전지 일부를 긁어내거나 구멍을 뚫는 방식으로 제작된다. 이 때문에 낮은 성능, 높은 생산단가에 투명한 부분과 불투명한 부분의 교차로 시각적 불편함을 주는 단점이 있다.

유기나 유무기 화합물 광 흡수층을 이용한 투명 태양전지는 장시간의 빛 조사나 높은 온습도 환경에서 단시간에 성능이 크게 떨어지는 단점이 있다.

이 문제를 해결하기 위해 태양광연구단 조준식 책임연구원(교신저자)은 빛 조사나 온습도 내구성이 우수한 무기소재인 CIGS 광 흡수층 양쪽 면에 기존 몰리브데늄(Mo) 금속전극과 달리 빛가림이 없는 인듐주석 산화물(Sn-doped indium oxide; ITO) 투명전극을 사용했다.

광 흡수층의 두께를 입사된 가시광 일부를 투과시킬 수 있는 0.3마이크로미터 이하로 정밀 제어해 자체 투과가 가능한 양면발전형 투명 태양전지 기술을 개발했다.

이번 기술은 기존 CIGS 태양전지 제조에 사용한 복잡한 3단계 동시증발공정 대신 단순하고 재현성이 우수한 단일단계 동시증발공정을 사용해 증착 시간은 절반 수준으로 줄였다.

광 흡수층 두께는 기존 2마이크로미터에서 0.3마이크로미터 이하로 줄여 기존 공정보다 소재 사용량과 공정시간을 10분의 1수준으로 획기적으로 절감했다.

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

곽지혜 한국에너지기술연구원 재생에너지연구소장은 “개발기술은 차별화된 새로운 소자 구조와 공정을 이용해 기존 상용 태양전지 기술의 성능과 응용한계를 극복할 수 있는 태양전지 초격차 기술로 발전할 수 있다”며 “다양한 태양광 응용 분야 발굴을 통한 태양광 보급 확대로 정부가 추진 중인 탄소 중립과 그린뉴딜 정책 실현에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

연구결과(논문명:Semitransparent and bifacial ultrathin Cu(In,Ga)Se2 solar cells via a single-stage process and light-management strategy)는 재료과학 분야 국제 학술지인 Nano Energy에 실렸다.

주저자는 신민정 한국에너지기술연구원 태양광연구단 연구원이다. 공동저자는 태양광연구단 이아름 기술원과 조아라·김기환·안승규·박주형·유진수·윤재호·신동협·정인영 연구원, 재생에너지연구소 곽지혜 소장 등이다.