신재생 에너지원 확보를 위한 태양전지 관련 연구가 활발해지는 가운데 국내 연구진이 도심 환경에 아름다움을 더해줄 컬러 태양전지 구현에 성공했습니다. 이로써 '태양전지'의 다채로운 활용이 가능할 전망입니다. 한국전자통신연구원(ETRI)은 기존의 어두운 색을 띠는 태양전지에 추가 공정이나 비용 없이 다양한 색상구현이 가능한 친환경 컬러 박막 태양전지 개발에 성공했다고 밝혔습니다. CIGS는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)으로 이루어진 화합물, Cu(In,Ga)Se2인데요.
광펌핑 테라헤르츠 분광법을 이용해 효율 향상 메커니즘을 세계 최초로 설명할 수 있었습니다. 참고로 광펌핑이란 원자나 이온에 빛을 조사하여 에너지가 낮은 상태에서 높은 상태로 들뜨게(勵起)하는 조작 방식을 말하는데요. 테라헤르츠 분광법은 매우 높은 주파수의 테라헤르츠를 물질에 조사하여 물리화학적 특성을 측정하는 방법을 말합니다. 연구 결과는 에너지 분야 국제 학술지인 <Nano Energy>와 <Progress in Photovoltaics>에 각각 게재됐습니다.
태양전지, 구성층 두께 조절해 여러 색 구현 가능해졌다
CIGS 박막 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 데 사용되는 차세대 태양전지로 유리기판 등에 CIGS를 얇은 막으로 쌓아 올려 제작됩니다. 비 실리콘 계열 태양전지 중에서 높은 광 흡수율을 가져 에너지 변환 효율이 가장 뛰어나고 안정성이 좋다는 장점이 있습니다. 또한, 실리콘 계열 태양전지에 비해 원자재 소비가 적으며 공정 비용과 재료비용도 저렴합니다. 하지만 유해 중금속인 카드뮴을 함유한 소재를 완충층으로 사용하기 때문에 상용화가 어렵다는 단점이 있었습니다. 참고로 완중층은 투명전도층과 흡수층 사이에서 격자 상수와 밴드갭 차이를 완화해주는 역할을 해주는데요.
이때 ETRI 연구진이 황화카드뮴(CdS)의 대체재로 인체에 무해한 아연(Zn) 함유 소재를 이용하여 약 18% 수준의 유사한 변환효율을 내는 데 성공함으로써 이러한 한계는 일부 해소될 전망입니다.
더불어 추가 공정이나 비용 없이 태양전지에 보라, 녹색, 청색 등 7가지 이상의 색깔을 구현해낼 수 있어 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가입니다. 연구진은 물 위에 떠 있는 기름띠가 무지개색으로 보이는 빛의 간섭 현상에 착안해 박막 구성층 두께를 조절함으로써 여러 색깔을 구현하는 데 성공했다고 설명했습니다.
연구진이 구현한 박막 태양전지의 두께는 3㎛에 불과하며 유리기판 뿐만 아니라 유연기판에 코팅도 가능합니다. 구부리거나 접을 수 있는 형태로 제작할 수 있어 건물 유리창에 부착하는 등 차세대 친환경 에너지원으로 쓰임새가 다양해질 전망입니다.
태양전지 효율 향상 메커니즘도 규명
이밖에도 연구진은 새로운 분석법으로 태양전지 효율 향상 메커니즘을 규명하는 데도 성공했습니다. 그동안 학계는 태양전지가 태양 빛에 장시간 노출될수록 변환 효율이 증가하는 현상의 원인을 정확하게 규명하지 못한 상태였습니다.
이때 연구진이 광펌핑 테라헤르츠 분광법을 이용해 광펌핑 후 여기된 태양전지 내 전하의 움직임을 측정한 끝에 시상수를 도출해내면서 효율이 향상되는 직접적인 원리를 세계 최초로 설명했습니다. 참고로 여기된다는 말은 원자나 분자가 외부로부터 에너지를 받아들여 더 높은 에너지 상태로 옮겨가는 걸 말합니다.
ETRI가 새로운 분석법을 개발하면서 친환경 고효율 태양전지 제작 기술력을 한층 더 높일 수 있는 가능성을 제시한 셈입니다. 연구책임자인 정용덕 책임연구원은 "본 기술로 컬러가 구현된 고부가가치 태양전지 제품 생산과 차세대 응용 분야를 창출해 도시형 태양광 발전에 기여할 수 있을 것이다"고 말했습니다.
연구진은 친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지 제조 기술을 태양광 모듈이나 도심형 건축물 건자재 및 이동체나 휴대용 기기 등에 적용하기 위한 비즈니스 모델 개발 및 상용화 지원 절차를 진행할 계획입니다. 아울러 친환경 색상 구현기술을 유연기판에 적용해 가벼우면서도 심미성이 뛰어난 고효율 태양전지를 개발할 계획입니다.
ETRI 강성원 ICT창의연구소장은 "전력의 수요-공급이 불균형한 현대 사회에서 차세대 신재생 에너지원을 확보하는 일이 매우 중요해졌다"며 "미래사회를 대비하기 위한 박막 태양전지 기술 개발을 선도하고 친환경 미래 에너지원 확보에 기여할 것"이라고 밝혔습니다.
