- 외부 알칼리 원소의 주입에 의한 폴리머 기판 유연 CIGS 박막 태양전지의 효율 향상 메커니즘 규명

- 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’에 연구결과 게재

■ 한국에너지기술연구원(김종남 원장)은 폴리머 기판 유연 CIGS 박막 태양전지*의 효율 향상 메커니즘을 규명하고 연구 결과를 세계 최고 수준의 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy, I.F : 15.548)’에’ 게재했다.

* CIGS 박막 태양전지 : 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이루어진 Cu(In,Ga)Se2 화합물을 유리나 플라스틱 기판에 증착해 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로 실리콘, GaAs, CdTe 등 여타의 광흡수층 물질보다 광흡수계수가 커 1-2 μm 두께의 매우 얇은 박막만으로도 높은 변환효율을 보이는 태양전지

□ CIGS 박막 태양전지는 결정질 실리콘 태양전지에 비해 적은 소재 사용과 간소한 공정만으로 고효율 태양전지를 제조할 수 있으며, 화학적으로 매우 안정적이고 내구성도 높다. 그러나 최근 결정질 실리콘 태양광 모듈의 가격 하락으로 인해 CIGS 박막 태양전지의 기술 개발 방향은 건축물 일체형 태양광(BIPV)으로 대표되는 도심형 친환경에너지원 시장으로 바뀌고 있다.

□ 이에 맞춰, 최근 연구방향은 딱딱하고 무거운 유리(glass) 기판을 이용하는 전통적인 CIGS 박막 태양전지에서 초경량 유연 기판을 적용해 효율은 유지하면서도 응용성을 극대화하는 연구로 변화하고 있다. 그러나 기존 CIGS 박막태양전지 제조 기술에 비해 높은 기술 진입장벽을 갖고 있어 일본과 유럽 중심의 소수의 연구그룹만이 기술을 보유하거나 개발을 시도하고 있다.

■ 한국에너지기술연구원 태양광연구실은 폴리머(Polyimide) 기판을 적용해 매우 가벼우면서도 유연한 고효율 CIGS 박막 태양전지를 개발하고 적용된 기술의 효과를 규명하는데 성공했다.

□ 기존 유리 기판 성막 시 사용하는 고온 성막 기술은 기판의 가열 온도가 섭씨 550도 이상으로 높아 녹는점이 낮은 폴리머 기판 성막 시에는 활용하기 어렵고 효율도 낮아지는 문제가 발생했다. 이에 연구진은 저온 성막 기술을 새로 도입해 증착 온도를 낮추면서도 효율*은 유지하는 결과를 얻었다.

* 연구원 유연 박막 CIGS 태양전지 효율 : 20.4%(현존 최고 효율 : 스위스 EMPA 20.8%)

□ 또, 연구진은 태양전지의 효율을 높이기 위해 필요한 알칼리 원소(나트륨, 칼륨)를 폴리머에 주입하는 외부 알칼리 주입 기술을 접목해 효율 극대화를 이뤄냈다. 특히, 최첨단 분석법을 이용해 나노스케일 수준에서 CIGS 소재의 특성과 함께 외부 알칼리 주입의 효율 향상 메커니즘까지 규명했다.

■ 연구 논문의 제 1저자인 한국에너지기술연구원 김기환 책임연구원은 “이번 성과는 초경량 유연 CIGS 박막태양전지의 고효율화를 위한 표준 공정을 확립한 계기로 평가되며, 유연 CIGS 박막 태양전지의 핵심소재 및 공정에 대한 원천 기술을 확보했다는데 의의가 크다”고 전했으며, 공동 교신저자인 윤재호 책임연구원은 “개발된 기술을 통해 신규 고부가가치 태양전지 제품 생산과 차세대 응용 분야를 창출하여 도시발전(發電)에 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.

□ 연구진은 향후 개발된 기술을 바탕으로 대면적 고속 CIGS 박막 태양전지 제조 기술, 초경량 유연 박막 태양전지 관련 소재·부품·장비 기술 고도화, 건물 외벽 및 지붕재에 설치 가능한 초경량 유연 고성능 박막 태양광 모듈 제조 기술 등의 추가 연구를 진행할 계획이다.

□ 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업인 ‘도심 분산전원용 고성능 플렉서블 무기박막 태양전지 원천기술 개발’ 및 에너지연 주요사업인 ‘다기능 차세대 박막 태양전지 핵심 요소기술 개발’ 과제의 일환으로 KAIST, 이화여대, 전남대와 협력하여 수행됐다.