한국에너지기술연구원이 차세대 고부가가치 태양광 분야에 적용할 수 있는 미래형 에너지하베스팅 태양전지 기술을 개발됐다.

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

연구진은 전기생산과 함께 태양빛의 일부를 투과시켜 시각적인 투광성도 동시에 확보할 수 있는 고효율 CIGS(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄) 양면투광 태양전지 핵심기술을 개발했다.

개발기술을 통해 가시광 투과도 10% 이상에서 발전효율이 단면 10%와 양면 15% 이상의 성능을 확보했다.

투명 태양전지는 전기 생산과 가시광 빛 투과를 함께 구현할 수 있어 건물 외벽과 창호, 도시구조물, 모빌리티, 디바이스 등 다양한 에너지하베스팅 전지로써 적용이 기대되고 있다.

그러나 아직까지 효율, 투광성, 내구성, 저조도 발전성능 등을 다함께 갖춘 태양전지 기술개발은 이루어지지 않고 있다.

현재 상용화가 일부 진행되고 있는 투명 태양전지는 기존에 개발된 태양전지의 일부를 긁어내거나 구멍을 뚫는 방식으로 제작된다.

이 때문에 낮은 성능, 높은 생산단가 그리고 투명한 부분과 불투명한 부분의 교차로 시각적인 불편함을 주는 단점이 있다.

또한, 유기나 유무기 화합물 광흡수층을 이용한 투명 태양전지는 장시간의 빛조사나 높은 온습도 환경에서 단시간에 성능이 크게 감소하는 단점을 보여주고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 태양광연구단 조준식 책임연구원(교신저자)은 빛조사나 온습도 내구성이 우수한 무기소재인 CIGS 광흡수층 양쪽면에 기존 몰리브데늄(Mo) 금속전극과 달리 빛가림이 없는 인듐주석 산화물(Sn-doped indium oxide; ITO) 투명전극을 사용했다.

또한 광흡수층의 두께를 입사된 가시광의 일부를 투과시킬 수 있는 0.3마이크로미터 이하로 정밀 제어해 자체적인 투과가 가능한 양면발전형 투명 태양전지 기술을 개발했다.

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

이와 함께 가시광이 투과될 수 있는 얇은 광흡수층과 양면 투명전극을 이용한 소자 구조로 자연스러운 투광성을 확보할 수 있어 기존 기술대비 생산수율을 높이고 제조비용도 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.

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

얇은 광흡수층 사용으로 발생할 수 있는 효율 저하는 나노 표면구조를 갖는 저반사 광산란층을 새로이 적용하고 태양전지 양쪽면에서 빛을 동시에 흡수할 수 있는 소자구조 실현을 통해 광이용율을 향상시켜 해결했다.

저반사 광산란층 기술은 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)이라고 불리우는 고분자 위에 나노임프린팅 기술을 이용해 마이크로미터 크기의 거친 표면형상을 만들었다.

이를 투명 태양전지 전면에 부착시켜 입사광의 산란을 크게 함과 동시에 반사도 최소화해 얇은 광흡수층 내에서도 빛을 최대한 흡수시킬 수 있는 방법이다.

또한 제조된 투명 태양전지는 양면 투광구조를 갖고 있기 때문에 전면과 후면에서 입사되는 직달광과 산란광을 모두 전기 생산에 사용할 수 있어 기존 단면 구조 태양전지에 비해 20%이상 향상된 전력생산이 가능하다.

연구진은 이번에 확보한 기술을 기반으로 향후 고부가가치 태양광 에너지하베스팅 소자로의 적용성을 확대하기 위해 높은 효율을 유지하는 동시에 가시광 투과도를 보다 향상시킬 수 있는 광이용 최적화 기술과 심미성 향상을 위한 색상구현 기술개발을 추진하고 있다.

동시에 상용화를 위한 소자 대면적화 기반기술 확보도 추진할 예정이다.

재생에너지연구소 곽지혜 소장은 “개발기술은 차별화된 새로운 소자구조와 공정을 이용해 기존 상용 태양전지 기술의 성능과 응용한계를 극복할 수 있는 태양전지 초격차 기술로 발전이 가능하다”며 “다양한 태양광 응용분야 발굴을 통한 태양광 보급 확대로 정부가 추진 중인 탄소중립과 그린뉴딜 정책 실현에도 기여할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

이 연구결과는 재료과학분야 저명 국제 학술지인 Nano Energy에 게재됐다.