나노기술 및 정책 정보

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한국에너지기술연구원은 전기생산과 함께 태양빛의 일부를 투과시켜 시각적인 투광성도 동시에 확보할 수 있는 '고효율 CIGS 양면투광 태양전지' 핵심기술을 개발했다고 4일 밝힘.

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

'에너지하베스팅'은 태양광, 바람, 물, 진동, 온도 등의 자연에너지 또는 일상생활에서 버려지는 에너지를 수확(harvesting) 또는 채집 사용(scavenge)해 전기에너지로 재생산하는 기술임.

'CIGS 박막 태양전지'는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이루어진 Cu(In,Ga)Se2 무기화합물을 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로 실리콘 태양전지 이후 가장 앞선 상용화가 이루어지고 있는 미래기술임.

연구진은 이번에 개발한 기술을 통해 가시광 투과도 10% 이상에서 발전효율이 단면 10%와 양면 15% 이상의 성능을 확보함. 이는 세계최고 수준임.

연구논문은 재료과학분야 저명 국제 학술지인 '나노에너지'의 지난달 1일 온라인에 게재됨.

이 연구원의 조준식 책임연구원을 비롯한 연구진은 빛조사나 온습도 내구성이 우수한 무기소재인 CIGS 광흡수층 양쪽면에 기존 몰리브데늄 금속전극과 달리 빛가림이 없는 인듐주석 산화물 투명전극을 사용했음. 또 광흡수층의 두께를 입사된 가시광의 일부를 투과시킬 수 있는 0.3마이크로미터 이하로 정밀 제어해 자체적인 투과가 가능한 양면발전형 투명 태양전지 기술을 개발한 것임.

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

이와 함께 가시광이 투과될 수 있는 얇은 광흡수층과 양면 투명전극을 이용한 소자 구조로 자연스러운 투광성을 확보해 기존 기술대비 생산수율은 높이고 제조비용은 크게 낮출 수 있다는 것이 연구진의 설명임.

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

얇은 광흡수층 사용으로 발생할 수 있는 효율 저하는 나노 표면구조를 갖는 '저반사 광산란층'을 새로 적용하고 태양전지 양쪽면에서 빛을 동시에 흡수할 수 있는 소자구조 실현을 통해 광이용율을 향상시켜 해결함.

연구진이 개발한 이 투명 태양전지는 양면 투광구조로 전면과 후면에서 입사되는 직달광과 산란광을 모두 전기 생산에 사용할 수 있어 기존 단면 구조 태양전지에 비해 20%이상 향상된 전력생산이 가능함.

이 연구원의 곽지혜 재생에너지연구소장은 "이 기술은 차별화된 새로운 소자구조와 공정을 이용해 기존 상용 태양전지 기술의 성능과 응용한계를 극복할 수 있는 태양전지 초격차 기술로 발전이 가능하다" 며 "이번에 확보한 기술을 기반으로 보다 높은 효율과 가시광 투과도를 향상시킬 수 있는 광이용 최적화 기술, 심미성 향상을 위한 색상구현 기술, 상용화를 위한 소자 대면적화 기반기술 확보 등을 추진할 예정"이라고 말함.