2050년 탄소배출 제로를 달성하기 위해 다양한 대체에너지원이 검토되고 있습니다. 그 가운데 하나로 태양광 발전기술에 대한 관심이 높죠. 하지만 인구밀집도가 높고 국토면적의 70% 이상이 산인 우리나라는 대규모 태양전지 설치공간의 확보가 어려운 것도 사실입니다.
이 때문에 기존 도심건물의 활용을 극대화하는 건물일체형 태양광발전(BIPV)이 주목받고 있는데요. 건물에 직접 활용이 가능한 대표적 태양 전지기술인 창호형 태양전지기술은 빛을 부분적으로만 투과시켜 투명성을 확보할 수 있는 비정질 박막실리콘, 유기박막, 염료감응 소재를 중심으로 연구개발중입니다. 하지만, 아직까지 상용화에 필요한 효율성과 내구성이 확보되지 않았는데요.
한국과학기술연구원(KIST) 차세대태양전지연구센터 정증현 센터장, 유형근 박사 연구팀은 뉴욕주립대 연구팀과의 공동연구로 발전성능과 장기안정성이 뛰어난 Cu(InGa)Se2(이하CIGS) 화합물 박막소재를 이용한 투광형 태양전지 기술을 개발에 성공했습니다. CIGS 화합물 태양전지는 널리 쓰이고 있는 결정질 실리콘 태양전지 수준의 고효율(23.4%) 광발전성능과 높은 장기안정성을 갖고 있어 실제 생활에 적용이 가능하지만 불투명한데요. 이는 소재 자체의 높은 광흡수 능력과, 태양전지 뒷면에 전극으로 사용되는 몰리브데늄 금속이 불투명성으로 인해 투명하지 않다는 문제가 있었습니다.
연구진은 소재 전면의 투광도를 높이기 위해 수 ㎛ 크기까지 에칭이 가능한 레이저 공정을 적용했습니다. 그 결과 육안으로는 구분이 어려운 크기로 불투명한 박막소재를 제거하고 광투과가 가능한 미세패턴을 균일하게 형성할 수 있었습니다. 에칭된 태양전지는 광발전성능 저하가 없는 투광형 태양전지로, 현재 건물의 창호로 사용중인 유리를 태양전지로 대체하거나 기존 유리에 태양전지를 추가하는 등 바로 활용이 가능합니다.
또한, 레이저 에칭공정의 효율을 높이기 위해서는 CIGS 박막태양전지의 뒷면 전극을 통한 레이저 조사가 가능하도록 기존 불투명한 몰리브데늄에서 투명한 인듐주석산화물(ITO)로 적용해야 했습니다. 그러나 ITO/CIGS 계면의 높은 전기저항 때문에 광발전성능이 크게 낮아지는 문제점이 있었는데요. 연구팀은 ITO 후면전극에 10 nm 두께의 은(Ag) 전구체를 적용하면 계면의 전기저항을 낮출 수 있다는 사실을 확인해, 양면이 투명한 CIGS 박막태양전지 셀구조에서 고출력 광발전이 가능한 기술을 개발했습니다. 이러한 셀구조는 전면을 통한 광발전뿐만 아니라 후면입사 광에 의한 발전이 20~30%정도 추가되므로 더 높은 발전량을 얻을 수 있습니다.
개발한 투광형 태양전지 모듈은 레이저 에칭 면적비율 조절로 투과도 제어가 자유롭고 광발전출력이 높아서(30% 광투과에서 11% 이상 광발전효율) 건물에서 요구하는 다양한 투과도 수요를 맞추면서도 더 많은 전기생산이 가능합니다. 레이저 에칭에 의한 투광패턴을 100 ㎛ 이하로 작게 형성할 수 있어 심미적으로 우수한 창호 제작도 가능합니다. 모듈화시 기존의 기계적 방법에서 정밀한 레이저 에칭으로 대체함으로써 패터닝에 따른 효율 감소를 방지할 수 있습니다.
KIST 정증현 센터장은 “개발된 창호형 태양전지는 가격경쟁력이 우수하고 이미 상용화된 CIGS 소재를 활용하기 때문에 기술의 실용화가 용이하다. 향후 발전성능과 레이저 에칭 능력을 향상시키면 경쟁력이 한층 높아질 것으로 기대한다.”라고 밝혔습니다.
연구결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Progress in photovoltaics: Research and Applications 최신호(7월호) 표지논문으로 선정됐습니다.
논문명 : Transparent back-junction control in Cu(In,Ga)Se2 absorber for high-efficiency, color-neutral, and semitransparent solar module
