- 투명산화물전극 및 Ag 전구체 적용으로 투명도, 발전성능 향상

2050년 탄소배출 제로를 달성하기 위해 다양한 대체 에너지원이 검토되고 있고, 그 가운데 하나로 태양광 발전 기술에 대한 관심이 높다. 하지만 인구밀집도가 높고 국토면적의 70% 이상이 산인 우리나라는 대규모 태양전지 설치공간의 확보가 어렵다. 

이 때문에 기존 도심 건물의 활용을 극대화하는 건물일체형 태양광발전(BIPV)1)이 주목받고 있다. 건물에 직접 활용이 가능한 대표적 태양 전지 기술인 창호형 태양전지 기술은 빛을 부분적으로만 투과시켜 투명성을 확보할 수 있는 비정질 박막 실리콘, 유기 박막, 염료감응 소재를 중심으로 연구개발이 진행되고 있지만 아직까지 상용화에 필요한 효율성과 내구성이 확보되지 않고 있다.

투광형 태양광모듈용 레이저 가공 개념도

한국과학기술연구원(KIST, 원장 윤석진) 차세대태양전지연구센터 정증현 센터장, 유형근 박사 연구팀은 뉴욕주립대 연구팀과의 공동연구로 발전성능과 장기안정성이 뛰어난 Cu(InGa)Se2(이하 CIGS) 화합물 박막 소재를 이용한 투광형 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.

CIGS 화합물 태양전지는 널리 쓰이고 있는 결정질 실리콘 태양전지 수준의 고효율(23.4%) 광 발전성능과 높은 장기안정성을 갖고 있어 실제생활에 적용이 가능하지만 불투명하다. 이는 소재 자체의 높은 광 흡수 능력과 태양전지 뒷면에 전극으로 사용되는 몰리브데늄 금속이 불투명성으로 인해 투명하지 않다는 문제가 있었다.

연구진은 소재 전면의 투광도를 높이기 위해 수 ㎛ 크기까지 에칭이 가능한 레이저 공정을 적용했다. 그 결과 육안으로는 구분이 어려운 크기로 불투명한 박막 소재를 제거하고 광 투과가 가능한 미세패턴을 균일하게 형성할 수 있었다. 에칭된 태양전지는 광 발전성능 저하가 없는 투광형 태양전지로, 현재 건물의 창호로 사용 중인 유리를 태양전지로 대체하거나 기존 유리에 태양전지를 추가하는 등 바로 활용이 가능하다.

개발된 투광형 CIGS 모듈

또한, 레이저 에칭 공정의 효율을 높이기 위해서는 CIGS 박막태양전지의 뒷면 전극을 통한 레이저 조사가 가능하도록 기존 불투명한 몰리브데늄에서 투명한 인듐주석산화물(ITO)로 적용해야 했다. 그러나 ITO/CIGS 계면의 높은 전기저항 때문에 광 발전성능이 크게 낮아지는 문제점이 있었다. 

연구팀은 ITO 후면전극에 10nm 두께의 은(Ag) 전구체를 적용하면 계면의 전기저항을 낮출 수 있다는 사실을 확인해, 양면이 투명한 CIGS 박막태양전지 셀구조에서 고출력 광 발전이 가능한 기술을 개발하였다. 이러한 셀구조는 전면을 통한 광 발전뿐만 아니라 후면입사 광에 의한 발전이 20~30% 정도 추가되므로 더 높은 발전량을 얻을 수 있다.

개발한 투광형 태양전지 모듈은 레이저 에칭 면적비율 조절로 투과도 제어가 자유롭고 광 발전출력이 높아서(30% 광 투과에서 11% 이상 광 발전효율) 건물에서 요구하는 다양한 투과도 수요를 맞추면서도 더 많은 전기생산이 가능하다. 

또한, 레이저 에칭에 의한 투광패턴을 100㎛ 이하로 작게 형성할 수 있어 심미적으로 우수한 창호 제작이 가능하고, 모듈화 시 기존의 기계적 방법에서 정밀한 레이저 에칭으로 대체함으로써 패터닝에 따른 효율 감소를 방지할 수 있었다.

투광형 CIGS 모듈의 창호 적용 예(건물 모형)

KIST 정증현 센터장은 “개발된 창호형 태양전지는 가격경쟁력이 우수하고 이미 상용화된 CIGS 소재를 활용하기 때문에 기술의 실용화가 용이하다. 향후 발전성능과 레이저 에칭 능력을 향상시키면 경쟁력이 한층 높아질 것으로 기대한다”라고 밝혔다.

본 연구는 과학기술정보통신부(장관 이종호) 지원으로 KIST 주요 사업 및 한국연구재단 기후 변화 대응 기술개발사업으로 수행되었으며, 연구 결과는 에너지 분야의 국제학술지 ‘Progress in photovoltaics: Research and Applications 최신호(7월호) 표지논문으로 선정되었다.

Progress in photovoltaics 2022년 7월호 이슈 전면커버 이미지

* 논문명: Transparent back-junction control in Cu(In,Ga)Se2 absorber for

< 연구진 소개 >

정증현 박사(교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 책임연구원 ○ 전화: 02-958-6767 ○ e-mail: jhjeong@kist.re.kr
유형근 박사(교신저자)	○ 소속: 한국과학기술연구원 청정신기술연구본부 차세대태양전지연구센터 선임연구원 ○ 전화: 02-958-5330 ○ e-mail: hyu@kist.re.kr