태양광과 실내조명으로 동시 발전 가능한 양면 박막 태양전지

한국과학기술연구원(이하 KIST) 청청에너지연구센터 민병권 박사 연구팀은 반도체 합금을 프린팅하는 저가형 코팅 공정을 이용해 반투명 특성을 가질 뿐 아니라, 양면 동시 전기 생산이 가능한 CIGS 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.

CIGS 박막 태양전지는 일반적으로 구리(C), 인듐(I), 갈륨(G), 셀레늄(S)으로 구성된 반도체 물질을 광흡수층으로 사용하는 태양전지를 지칭하는데, 이번 연구에서는 전압을 높이고 용액공정 적용으로 투명도를 향상시키기 위해 셀레늄 대신 황을 이용한 것이 특징이다.

이 연구는 미래창조과학부와 한국연구재단이 시행하는 기후변화대응기술개발사업의 지원을 받아 수행됐으며, 지난 3월 18일에 세계적 수준의 과학 전문지인 ‘Scientific Reports’ 온라인 판에 게재됐다.

저비용 코팅 공정으로 개발, 창호용 태양전지로 응용 가능

CIGS 박막 태양전지는 기존 실리콘 태양전지에 비해 가볍고 무더위나 추위에도 90% 이상의 발전효율을 유지할 수 있어 차세대 태양전지로 가장 유망한 것으로 평가되고 있다. 그러나 몰리뷰데늄(Mo)이 증착된 유리기판을 사용해 제작되기 때문에 태양빛이 투과할 수 없을 만큼 불투명하므로 태양전지의 한쪽 면으로만 빛을 흡수해 전기를 생산해야 한다는 한계가 있었다. 또한 광흡수층 제조시 사용되는 진공증착 방법에 의한 높은 제조비용과 용액공정 과정에서 발생하는 결함으로 인한 효율저감 문제 등 기술적 난제가 존재해 왔다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해 민병권 박사 연구팀은 ITO(인듐주석산화물)와 같은 투명 전도층이 코팅된 유리기판과 저비용 용액공정을 이용해 반투명 특성을 갖는 양면 박막 태양전지를 개발했다. 보통 용액공정으로 만들어지는 CIGS 박막에는 기공과 같은 결함들이 많이 생성되기 때문에 저비용이라는 장점에도 불구하고 태양전지 효율이 낮다는 단점을 지니고 있었다. 하지만 민병권 박사 연구팀은 이러한 결함들이 오히려 박막의 투명도를 증가시키는 데 도움이 된다는 점에 착안해 CIGS 박막 태양전지의 창호형 BIPV 시스템으로의 응용 가능성에 대해 연구하게 됐다. 현재 창호용으로 응용 가능한 태양전지로는 염료감응형 태양전지(DSSC)가 알려져 있으나, 이 경우 유독하고 휘발성이 큰 액체 전해질을 사용해야 하기 때문에 내구성 및 안전성 면에서 심각한 문제를 야기할 수 있다. 이에 반해, 이번에 개발된 박막 태양전지 기술은 무기물을 기반으로 하고 있어 내구성 및 안전성 면에서도 우수하다는 평가다.

민병권 박사는 “이번에 개발된 박막 태양전지 기술의 가장 큰 장점은 태양전지 앞면에서 태양광을 흡수해 전기를 생산할 때 뒷면에 실내조명과 같은 약한 빛을 쪼여주게 되면 태양전지 성능이 더욱 향상된다는 점”이라면서, “이로 인해 향후 건물일체형 창호용 태양전지로서 그 효용성이 더욱 클 것으로 예상된다”고 말했다.

또한, 이번 연구 성과는 향후 기존 실리콘 태양전지 수준으로 발전효율을 제고하는 등 추가 기술개발과 기술사업화가 이뤄진다면 건물일체형 창호용 태양전지 관련 산업 창출에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

<Mini Interview>

한국과학기술연구원 청청에너지연구센터 민 병 권 박사

양면 박막 태양전지로 창호형 BIPV 활용 가능


Q. 이번 연구 성과와 기존 연구의 차이점은?        

기존 박막 태양전지는 불투명한 기판에 제조돼 태양전지 한쪽 면에서만 빛을 흡수해 전기를 생산할 수 있었으나, 이번에 개발된 태양전지는 양면 박막 태양전지로서 앞뒷면 양쪽으로부터 빛을 흡수해 동시에 전기를 생산할 수 있다는 것이 다른 점이다. 현재의 기술 수준으로는 기존의 불투명한 CIGS 태양전지보다 발전효율은 높지 않으나, 용액 코팅법을 적용했기에 제작 단가를 50% 가량 낮출 수 있을 뿐 아니라, 반투명하다는 성질을 이용하면 창호형 BIPV로 활용 가능하다.

Q. 연구 결과가 사용될 수 있는 분야는?          

현재 태양전지의 여러 응용처 가운데 최근 각광을 받고 있는 건물일체형 태양전지 중 창호용으로 사용될 수 있는 태양전지는 아직 개발되지 않은 상태다. 이러한 상황 속에서 이번에 개발된 태양전지는 반투명하다는 특성과 앞뒷면 동시 발전 가능성, 내구성, 안전성 등의 장점 때문에 창호용으로도 충분히 응용 가능하다 하겠다.

Q. 상용화되기까지 어느 정도의 시간이 걸릴 것으로 예상하나? 또한, 상용화를 위한 과제는 무엇이 있나?    

CIGS 박막 태양전지는 이미 상용화가 돼 있으나, 고비용 공정(진공증착)의 사용으로 인한 가격 절감이라는 한계점을 지니고 있다. 이번에 개발된 태양전지는 저비용의 용액 코팅법에 기반해 제조되기 때문에 경제성 측면에서 경쟁력을 가지고 있다. 하지만 아직까지는 효율 향상이 더 필요한 상황이므로 적어도 5년 정도의 연구개발 시간이 더 필요하다고 생각된다.

한편, 이 기술의 실용화를 위해서는 저비용 박막 태양전지의 효율을 기존 태양전지 수준으로 제고하는 연구개발과 함께, 대면적으로의 응용 가능성에 대한 연구가 필요하다고 본다.  

Q. 이번 연구를 시작하게 된 계기는 무엇인가?       

기존 연구의 발상을 전환해 태양전지의 효율을 저하시키는 박막의 기공과 같은 결함이 박막의 투명도를 향상시킬 수 있어 오히려 반투명 태양전지 측면에서는 이로운 점이 될 수 있다고 생각했다. 또한 요즘에는 빌딩과 같은 오피스용 건물에서는 낮에도 실내조명을 켜고 있는 경우가 많기 때문에 양면 태양전지를 개발해 앞면은 태양광으로, 뒷면은 실내조명으로 동시 발전하면 태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있을 것이라는 아이디어로 연구를 시작하게 됐다.  
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