한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 세계 최고 수준의 효율을 자랑하는 CIGS 양면투광 태양전지를 국내 기술로 개발에 성공했다.
2050년 탄소중립사회 실현을 위한 에너지전환과 그린뉴딜 추진의 핵심과제로 재생에너지 보급을 확대하려는 노력이 가속화되고 있다.
그러나 2050년 탄소중립사회 실현을 위해서는 태양광발전기술을 기존 대규모 발전이나 지붕형 태양광 이외에 기존에 없던 새로운 응용분야에 적용함으로써 발전량을 획기적으로 확대할 수 있는 혁신적인 태양전지 기술확보가 시급하다.
세계 최고효율 투명 태양전지 개발
에너지연은 전기생산과 함께 태양빛을 일부 투과시켜 시각적인 투광성도 확보할 수 있는 CIGS 양면투광 태양전지 핵심기술을 개발했다. 이를 통해 가시광 투과도 15% 이상에서 단면 10%와 양면 15% 이상의 세계 최고 수준의 성능을 확보했다.
이번에 개발된 투명 태양전지는 전기생산과 가시광 빛 투과를 함께 구현할 수 있어 건물외벽은 물론 △창호 △도시구조물 △모빌리티 △디바이스 등 다양한 에너지하베스팅 전지로 적용할 수 있다.
기존 투명 태양전지의 문제점을 극복하기 위해 빛조사나 온·습도 내구성이 우수한 무기소재 CIGS 광흡수층 양면에 기존에 많이 사용되고 있는 몰리브데늄(Mo) 금속전극과 달리 빛가림이 없는 인듐주석산화물(Sn-doped indium oxide) 투명전극을 사용했다.
특히 기존 CIGS 태양전지 제조에 사용된 3단계 동시증발공정 대신 단순하고 재현성이 우수한 단일단계 동시증발공정을 적용해 증착시간은 절반수준으로 단축했다. 광흡수층 두께는 기존 2㎛에서 0.3㎛ 이하로 줄여 기존 공정보다 소재사용량과 공정시간을 1/10 수준으로 절감했다.
이와 함께 가시광이 투과될 수 있는 얇은 광흡수층과 양면 투명전극을 이용한 소자구조로 자연스러운 투광성을 확보할 수 있어 기존 기술대비 생산수율을 높이고 제조비용도 크게 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다.
또한 광흡수층 사용으로 인해 발생하는 효율저하는 나노표면구조를 갖는 저반사 광산란층 적용과 태양전지 양면에서 빛을 동시에 흡수하는 소자구조를 실현해 광이용률을 향상시켜 극복했다. 특히 양면 투광구조로 전면과 후면에서 입사되는 직달광과 산란광을 모두 전기생산에 사용할 수 있어 기존 단면 태양전지에 비해 전력생산효율이 20% 이상 향상됐다.
연구진은 이번에 확보된 기술을 토대로 향후 고부가가치 태양광 에너지하베스팅 소자로 적용성을 확대하기 위해 높은 효율을 유지하는 동시에 가시광 투과도를 보다 향상시킬 수 있는 광이용 최적화 기술과 심미성 향상을 위한 색상구현 기술개발을 추진하고 있다.
이번 연구개발의 교신저자인 조준식 책임연구원은 “향후 30% 이상의 가시광투과도 확보와 10% 이상의 발전성능을 목표로 연구를 진행 중”이라며 “장기적으로 50% 이상의 가시광 투과도에서 발전성능 8%를 달성할 것”이라고 밝혔다.
이어 “개발된 셀은 현재 약 1cm² 크기로 실제 상용화를 위해서는 대면적화 기술확보가 필요하고 이와 함께 소자 집적화, 대면적 증착기술, 모듈화 기술 등 개발에 착수할 예정”이라며 “이를 통해 저가 중국산제품 중심으로 형성되고 있는 국내 태양광시장의 대규모·지붕형 발전에 국한된 한계를 극복할 수 있는 신산업을 발굴할 것으로 기대된다”고 덧붙였다.
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