우리나라는 탄소중립을 위해 2050년까지 전력의 90%를 태양광으로 대체하는 것을 목표로 하고 있습니다. 현재 태양광 발전에서 큰 비중을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 비용, 효율 측면에서 가장 경쟁력 있는 기술로 여겨지고 있죠. 하지만, 국토의 70% 이상이 산지이면서 태풍과 같은 자연재해가 자주 발생하는 우리나라의 지리적 특성상 태양광 발전시설의 지속 가능성에 대한 물음표는 여전히 남아 있습니다. 이에 대한 대안으로 건물일체형 태양전지(Building Integrated Photovoltaic, 이하 BIPV)기술에 대한 관심이 커지고 있는데요.
한국과학기술연구원(KIST) 청정신기술연구본부 민병권 본부장 연구팀은 BIPV에 사용되는 고안정성 무기박막 태양전지의 가격경쟁력을 확보하는 공정을 개발해 기술이전까지 완료했다고 밝혔습니다.
다양한 태양전지 기술 가운데 CIGS 무기박막 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 네 원소로 구성됩니다. 또한, 광흡수 계수가 매우 커서 얇은 박막으로도 높은 변환효율을 낼 수 있다는 특징을 갖고 있습니다. 하지만 이를 BIPV에 실제로 적용하기 위해서는 가격 경쟁력과 양산성 확보가 중요한 상황이었는데요. 이를 위해 연구팀은 기존의 진공공정 대신 용액 코팅법을 활용해 설비에 소요되는 비용을 절감하는 한편, 광흡수층의 두께를 기존대비 1/5 수준으로 줄여 고가 희귀원소인 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 사용량을 저감해 생산성을 개선했습니다.
특히 후면 계면 제어는 CIGS 초박막 태양전지의 효율을 개선하는 핵심적인 요소인데, 비정질 TiO2 층을 활용하여 CIGS 초박막 태양전지의 후면계면을 양산화에 매우 적합한 방식으로 제어할 수 있는 기술을 개발했습니다. 이 경우 기존의 부도체 산화물(Al2O3, SiO2, HfO2)을 적용했을 때와는 달리 나노구조 패터닝 없이도 전하를 원활하게 전달할 수 있었으며, 전기적 결함도 제거할 수 있었습니다. 다시 말해 기존의 기술과 비교해 더 얇고 간편하고 저렴한 비용으로 대면적 소자의 효율을 개선한 것입니다.
연구팀은 CIGS 박막태양전지의 용액 코팅 공정의 원천기술 개발을 위해 지난 10여년 간 꾸준히 연구를 수행해왔습니다. 기존의 판이 돌아가며 용액을 코팅하는 스핀방식이 아닌 대면적화에 훨씬 유리한 페인트칠을 하듯 바르는 바코팅 기술을 확보했으며, 단위셀 효율은 16% 이상을 달성했습니다. 이 기술은 지난해 11월 태양전지 전문 중소기업에 기술이전 되었으며, KIST와 기업이 함께 미래 태양전지 시장을 개척하기 위한 공동연구도 진행중입니다.
KIST 민병권 본부장은 “인쇄 태양전지 기술은 아직 상용화에 성공하지 못한 도전적인 분야이지만, 실험실 수준에서는 이미 세계 최고 기술을 확보하고 있기 때문에 기업과 긴밀한 협업을 진행한다면, 머지 않은 미래에 세상을 놀라게 할 새로운 태양전지를 시장에 내놓을 수 있을 것”이라고 말했습니다.
연구 결과는 에너지 분야 학술지 'Advanced Energy Materials' 최신호에 게재됐습니다.
논문명 : Amorphous TiO2 Passivating Contacts for Cu(In,Ga)(S,Se)2 Ultra-Thin Solar Cells: Defect-State-Mediated Hole Conduction
#용어설명
1. CIGS
- Cu(In,Ga)(S,Se)2 (I-III-VI2) 화합물 반도체를 일컫는 말.
- CIGS 박막 태양전지에서 가장 핵심적인 요소인 광흡수층으로 활용됨.
- 화학적 안정성과 광흡수 능력이 매우 우수하며, 조성조절을 통해 다양한 광학적 밴드갭을 구현할 수 있음.
2. 용액공정(인쇄공정)
- 원하는 물질이 포함된 용액을 기판 위에 코팅 혹은 인쇄하여 박막을 적층하는 기술.
- 진공공정에 비해 공정 비용이 저렴하며 대면적 기판에 쉽고 빠르게 박막을 적층할 수 있음.
- 원하는 물질을 간단하게 녹여 용액을 제조하기 때문에 적층하고자 하는 박막의 조성을 매우 쉽게 조절할 수 있음.
3. 초박막 태양전지
- 일반적으로 활용되는 태양전지보다 최대 10배 얇은 두께의 광흡수층을 사용하는 태양전지.
- 원료 사용량을 획기적으로 저감시킬 수 있어 생산 비용을 낮출 수 있을 뿐 아니라 원료 공급 위험에 유연하게 대처할 수 있음.
- 소자 생산에 소요되는 시간을 단축하고 생산량을 증가시킬 수 있음.
- 전기적인 관점에서 계면 제어가 잘 이루어지면 오히려 두꺼운 소자보다 더 높은 개방전압을 제공할 수 있음.
