태양빛 일부를 투과시켜 시가적 투광성을 확보할 수 있는 차세대 투명 태양전지. [한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 도심 속 건물외벽과 창호 등에 적용할 수 있는 미래형 에너지하베스팅 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국에너지기술연구원은 전기생산과 함께 태양빛의 일부를 투과시켜 시각적인 투광성도 동시에 확보할 수 있는 고효율 CIGS 양면투광 태양전지 핵심기술을 개발했다고 4일 밝혔다. 가시광 투과도 10% 이상에서 발전효율이 단면 10%와 양면 15% 이상의 성능을 확보했다.

이번 연구성과는 재료과학분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 1월 1일자로 게재됐다.

정부가 내세운 2050년 탄소중립 사회구현을 위해서는 기존 대규모 발전이나 지붕형 태양광 이외에 기존에 없던 새로운 응용분야에 적용함으로써 태양광 보급을 획기적으로 확대할 수 있는 혁신적인 태양전지 기술 확보가 필요하다.

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. 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 문제점이 있다.

이같은 문제를 해결하기 위해 에너지연 태양광연구단 조준식 박사는 빛조사나 온습도 내구성이 우수한 무기소재인 CIGS 광흡수층 양쪽면에 기존 몰리브데늄(Mo) 금속전극과 달리 빛가림이 없는 인듐주석 산화물(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 증착시간을 짧게하고 공정온도도 기존 650℃에서 550℃ 이하로 낮게 함으로써 기존 CIGS 광흡수층과 투명전극사이의 불필요한 화학반응으로 인한 전기 저항층 생성을 억제해 효율성능을 크게 향상시킬 수 있었다.

개발한 투광형 셀이 햇빛을 투과하는 모습.[한국에너지기술연구원 제공]

특히 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.

곽지혜 재생에너지연구소 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.

nbgkoo@heraldcorp.com