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KIST, 태양전지 저가화에 필수적인 용액공정, 초박막, 고안정성을 갖춘 무기 박막 태양전지 개발

작성자 : 편집부 2023-03-09 | 조회 : 924

- 가격 경쟁력 확보를 통해 실리콘 태양전지 대체 효과 기대

우리나라 탄소중립 시나리오에 따르면, 우리나라는 탄소중립을 위해 2050년까지 전력의 90%를 태양광으로 대체하는 것을 목표로 하고 있다.

현재 태양광 발전에서 큰 비중을 차지하고 있는 실리콘 태양전지는 비용, 효율 측면에서 가장 경쟁력 있는 기술로 여겨지지만, 국토의 70% 이상이 산지이면서 태풍과 같은 자연재해가 자주 발생하는 우리나라의 지리적 특성상 태양광 발전시설의 지속 가능성에 대한 물음표는 여전히 남아 있다. 이에 대한 대안으로 건물 일체형 태양전지(Building Integrated Photovoltaic, 이하 BIPV)기술에 대한 관심이 커지고 있다.

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 청정신기술연구본부 민병권 본부장 연구팀은 BIPV에 사용되는 고안정성 무기 박막 태양전지의 가격 경쟁력을 확보하는 공정을 개발해 기술이전까지 완료했다고 밝혔다.

다양한 태양전지 기술 가운데 CIGS 무기 박막 태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 네 원소로 구성되는데, 광 흡수 계수가 매우 커서 얇은 박막으로도 높은 변환효율을 낼 수 있는 특징을 갖고 있다.

하지만 이를 BIPV에 실제로 적용하기 위해서는 가격 경쟁력과 양산성 확보가 중요한 상황이었다. 이를 위해 연구팀은 기존의 진공 공정 대신 용액코팅법을 활용해 설비에 소요되는 비용을 절감하는 한편, 광 흡수층의 두께를 기존 대비 1/5 수준으로 줄여 고가 희귀원소인 인듐(In) 및 갈륨(Ga) 사용량을 저감해 생산성을 개선했다.

인쇄공정 기반 대면적 용액코팅. 바 코팅 기반 대면적 용액코팅법의 실물 사진

특히 후면 계면 제어는 CIGS 초박막 태양전지의 효율을 개선하는 핵심적인 요소인데, 비정질 TiO2층을 활용하여 CIGS 초박막 태양전지의 후면 계면을 양산화에 매우 적합한 방식으로 제어할 수 있는 기술을 개발했다.

이 경우 기존의 부도체 산화물(Al2O3, SiO2, HfO2)을 적용했을 때와는 달리 나노구조 패터닝 없이도 전하를 원활하게 전달할 수 있었으며, 전기적 결함도 제거할 수 있었다. 다시 말해 기존의 기술과 비교해 더 얇고 간편하고 저렴한 비용으로 대면적 소자의 효율을 개선할 수 있다는 것이다.

용액공정 CIGS 초박막 태양전지

용액공정 CIGS 초박막 태양전지 단면 모식도

연구팀은 CIGS 박막태양전지의 용액코팅 공정의 원천기술 개발을 위해 지난 10여 년간 꾸준히 연구를 수행해왔다.

기존의 판이 돌아가며 용액을 코팅하는 스핀 방식이 아닌 대면적화에 훨씬 유리한 페인트칠을 하듯이 바르는 바 코팅 기술을 확보했으며, 단위 셀 효율은 16% 이상을 달성하고 있다. 이 기술은 지난해 11월 태양전지 전문 중소기업에 기술이전 되었으며, KIST와 기업이 함께 미래 태양전지 시장을 개척하기 위한 공동연구도 진행 중이다.

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, 머지않은 미래에 세상을 놀라게 할 새로운 태양전지를 시장에 내놓을 수 있을 것”이라고 말했다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 및 농림축산식품부(장관 정황근) 농촌진흥청(청장 조재호)의 재원으로 농림식품기술기획평가원과 재단법인 스마트팜연구개발사업단(단장 조성인)의 스마트팜다부처패키지혁신기술개발사업의 지원을 받아 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야 권위지인 「Advanced Energy Materials」 (IF : 29.698, JCR 분야 상위 2.46%) 최신호에 게재되었다.