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에너지硏, 차세대 창호용 태양전지 기술…그린 뉴딜 방향 제시

기사승인 2020.08.30  09:47:39

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- 세계 최초로 유연 양면발전 투광형 박막 태양전지 기술 개발
유연성·투광성을 동시 확보 가능한 경량 CIGS 박막 태양전지 개발
재료과학 및 물리화학분야 저명학술지인 ‘Advanced Functional Materials’ 게

한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 세계 최초로 유연성과 투광성을 동시에 가지는 양면수광형 CIGS 박막 태양전지 기술을 개발하고, 연구결과를 물리화학분야 저명 국제 학술지인 Advanced Functional Materials에 게재했다.

또한 해당논문은 학문적으로 뛰어난 우수성을 인정받아 inside front cover로 선정됐다고 밝혔다.(온라인 게재 2020.07.06.; 오프라인 2020.09.03. 예정)

※CIGS 박막 태양전지: 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이뤄진 Cu(In,Ga)Se2 화합물을 유리나 플라스틱 기판에 증착해 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로 실리콘 등 여타의 광흡수층 물질보다 광흡수계수가 커 매우 얇은 박막만으로도 높은 변환효율을 보이는 태양전지이다.
※Advanced Functional Materials: IF: 16.836, Multidisciplinary Materials Science 분야 JCR 상위 3.98% 학술지이다.

CIGS 박막 태양전지는 상용 결정질 태양전지에 비해 적은 소재 사용과 간소한 공정만으로 고효율 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 다른 유기계 차세대 태양전지와 달리 화학적으로 매우 안정적이고 내구성도 높다.

유연성과 투광성을 가지는 다기능 CIGS계 박막 태양전지 적층구조, 이미지 및단면 및 양면수광시 광량에 따른 에너지변환효율곡선

그러나 최근 결정질 실리콘 태양광 모듈의 가격 하락으로 인해 CIGS 박막 태양전지의 기술개발 방향이 건축물 일체형 또는 부착형 태양광(BIPV, BAPV)으로 대표되는 도심형 다기능 친환경 에너지원 시장으로 바뀌고 있다.

이에 따라, 최근 딱딱하고 무거운 유리 기판을 이용하는 전통적인 CIGS 박막 태양전지가 아닌, 초경량 유연 기판을 적용해 효율은 유지하면서도 응용성을 극대화하는 연구와 함께 상대적 효율은 조금 낮추더라도 투광성을 갖도록 설계해 기능을 추가하는 연구개발이 세계적 추세이다.

이러한 가운데, 에너지硏 태양광연구단은 두께가 극히 얇은 유연한 유리 기판을 적용해, 유연성과 투광성을 동시에 가지면서도 기존의 두꺼운 유리기판 상에 제조된 투광형 태양전지와 견주어도 효율 및 성능특성이 우수한 양면수광형 박막 태양전지 구현에 성공한 것이다

기존의 비투광형 태양전지는 단방향에서만 광흡수가 가능하거나, 태양빛을 태양전지 전·후면에서 동시에 흡수해 전기를 생산하는 양면수광 구조를 구현하기 위해 후면 광흡수층 형성을 위한 별도의 공정이 필수적이었다.

유리기판내 알칼리이온 유무에 따른 계면 부산물 형성 차이 보여주는단일단계 동시증발법으로 증착된 CIGS 박막 하부계면 분석

연구단은 이번 개발한 유연 반투명 CIGS 박막 태양전지기술이 투광성에 기반해 양방향 수광이 가능함에 주목해, 투광성 확보를 위해 발생이 불가피한 광흡수에 의한 출력 손실을 추가 제조공정 없이 후면수광을 통해 보완 가능함을 확인했다.

이러한 연구개발 성과는 국내에서 유일하게 신뢰성 있는 차세대 태양전지 성능·효율 측정 및 평가 인프라를 보유한 에너지硏 태양광연구단에서 알베도 모사에 의한 변환효율 측정을 통해 검증됐다.

※알베도(albedo) : 물체의 표면이 태양빛을 받았을 때 반사하는 정도를 나타내는 용어로서 0에서 1 사이의 단위가 없는 값을 가지며, 단일 입사각에 대한 반사율과 달리 모든 태양각에 대한 반사율을 의미한다.
태양빛은 지면에서 반사되거나 대기 중 산란되어 태양광 모듈 후면으로 입사 가능하므로 양면수광형 태양광 모듈의 경우 지면유형 등에 따른 알베도에 의해 단면수광형 대비 발전량이 증가한다고 알려져 있다.
'inside front cover'로 선정된 이미지

해당 연구논문의 교신저자인 박주형 책임연구원은 “기존의 3단계 증착방법 대신 더 간소화된 단일공정 증착방법을 이용하면서도 알칼리 원소 도핑 공정 적용을 통해 수백 나노스케일의 극히 얇은 두께에서도 높은 품질을 가지는 CIGS 광흡수층 막을 만들어 에너지 생산능력뿐만 아니라 유연성과 투광성이 가미된 다기능 태양전지를 개발했다”고 밝혔다.

태양광 소재·부품·장비 이슈 해결을 위한 산학연 협력의 중심기관인 한국에너지기술연구원은 태양광 전 가치사슬영역에 걸쳐 기관이 보유한 국내 최고기술과 인프라를 활용해 수요대응에 용이하며 고부가가치를 지닌 ‘도시형 태양광 차세대 태양전지 원천기술 개발’에 주력하고 있다.

이번 연구도 에너지연 주요사업 ‘다기능 차세대 박막 태양전지 핵심 요소기술 개발’ 및 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업 ‘도심 분산전원용 고성능 플렉서블 무기박막 태양전지 원천기술 개발’의 일환으로 수행됐다.

과제 책임자인 윤재호 에너지硏 태양광연구단장은 “한국형 그린뉴딜 정책에 부응하는 이번 성과는 여러 가지 기능을 융합한 다재다능한 적용성을 가진 CIGS 박막 태양전지의 개념을 구체화시킨 계기로 평가되며, 이번에 확보한 유연 반투명 CIGS 박막 태양전지의 핵심소재 및 공정에 대한 원천 기술로 신규 고부가가치 태양전지 제품 생산과 차세대 응용 분야 창출에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

김영환 기자 yyy9137@naver.com

<저작권자 © 에너지타임뉴스 무단전재 및 재배포금지>
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