한국에너지기술연구원은 세계 최초로 유연성과 투광성을 동시에 가지는 양면수광형 CIGS 박막 태양전지 기술을 개발했습니다. 해당 연구 결과는 <Advanced Functional Materials>에 게재됐습니다. 또한 학 문적으로 뛰어난 우수성을 인정받아 inside front cover로 선정됐습니다.

얇고 유연한 유리 기판 적용해 유연성·투광성 동시에

CIGS 박막 태양전지는 상용 결정질 태양전지에 비해 적은 소재 사용과 간소한 공정만으로 고효율 태양전지를 제조할 수 있습니다. 또한 다른 유기계 차세대 태양전지와 달리 화학적으로 매우 안정적이고 내구성도 높습니다. 그러나 최근 결정질 실리콘 태양광 모듈의 가격 하락으로 인해 CIGS 박막 태양전지의 기술개발 방향이 건축물 일체형 또는 부착형 태양광(BIPV, BAPV)으로 대표되는 도심형 다기능 친환경 에너지원 시장으로 전환 중입니다.

이에 따라, 최근 딱딱하고 무거운 유리 기판을 이용하는 전통적인 CIGS 박막 태양전지가 아닌 초경량 유연 기판을 적용해 효율은 유지하면서도 응용성을 극대화하는 연구와 함께 상대적 효율은 조금 낮추더라도 투광성을 갖도록 설계해 기능을 추가하는 연구개발이 세계적 추세입니다. 이러한 가운데, 에너지연 태양광연구단은 두께가 극히 얇은 유연한 유리 기판을 적용해 유연성과 투광성을 동시에 가지면서도 기존의 두꺼운 유리기판 상에 제조된 투광형 태양전지와 견주어도 효율 및 성능 특성이 우수한 양면수광형 박막 태양전지 구현에 성공한 겁니다. 

기존의 비투광형 태양전지는 단방향에서만 광흡수가 가능하거나, 태양빛을 태양전지 전·후면에서 동시에 흡수하여 전기를 생산하는 양면수광 구조를 구현하기 위해 후면 광흡수층 형성을 위한 별도의 공정이 필수적이었습니다. 연구단은 금번 개발한 유연 반투명 CIGS 박막 태양전지 기술이 투광성에 기반하여 양방향 수광이 가능함에 주목해 투광성 확보를 위해 발생이 불가피한 광흡수에 의한 출력 손실을 추가 제조공정 없이 후면수광을 통해 보완 가능함을 확인했습니다.

이러한 연구개발 성과는 국내에서 유일하게 신뢰성 있는 차세대 태양전지 성능·효율 측정 및 평가 인프라를 보유한 에너지연 태양광연구단에서 알베도 모사에 의한 변환 효율 측정을 통해 검증됐습니다.

해당 연구논문의 교신저자인 박주형 책임연구원은 "기존의 3단계 증착방법 대신 더 간소화된 단일공정 증착방법을 이용하면서도 알칼리 원소 도핑 공정 적용을 통해 수백 나노스케일의 극히 얇은 두께에서도 높은 품질을 가지는 CIGS 광흡수층 막을 만들어 에너지 생산능력뿐만 아니라 유연성과 투광성이 가미된 다기능 태양전지를 개발했다"고 밝혔습니다.

태양광 소재·부품·장비 이슈 해결을 위한 산학연 협력의 중심기관인 한국에너지기술연구원은 태양광 전 가치 사슬 영역에 걸쳐 기관이 보유한 국내 최고기술과 인프라를 활용해 수요대응에 용이하며 고부가가치를 지닌 '도시형 태양광 차세대 태양전지 원천기술 개발'에 주력하고 있습니다. 

과제 책임자인 에너지연 태양광연구단 윤재호 단장은 "한국형 그린뉴딜 정책에 부응하는 이번 성과는 여러 가지 기능을 융합한 다재다능한 적용성을 가진 CIGS 박막 태양전지의 개념을 구체화시킨 계기로 평가되며 이번에 확보한 유연 반투명 CIGS 박막 태양전지의 핵심소재 및 공정에 대한 원천 기술로 신규 고부가가치 태양전지 제품 생산과 차세대 응용 분야 창출에 기여할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.

##참고자료##

• Kim, Dongryeol, et al. "Flexible and Semi‐Transparent Ultra‐Thin CIGSe Solar Cells Prepared on Ultra‐Thin Glass Substrate: A Key to Flexible Bifacial Photovoltaic Applications." Advanced Functional Materials (2020): 2001775.

함예솔 다른기사 보기