- 에너지연, 유연 페로브스카이트/CIGS 박막 다중접합 태양전지 세계 최고 효율 23.64% 달성

- 신개념 리프트 오프 공정 개발, 전지 성능 향상 원인 발견해 공정 개선, 효율 향상 이끌어

- 에너지·재료 분야 국제 저명학술지 ‘줄’(Joule, IF 38.6) 게재

■ 한국에너지기술연구원(원장 이창근, 이하 ‘에너지연’)이 초경량 유연 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지를 제작하고 세계 최고 효율을 달성하는 데 성공했다. 연구진이 개발한 태양전지는 매우 가볍고 곡선 형태에도 부착될 수 있어 향후 건물, 자동차, 항공기 등에 적용될 것으로 기대된다.

□ 태양광 발전에는 실리콘 기반의 단일접합 태양전지가 주로 사용된다. 생산 단가가 싸고 대량 생산에 유리하기 때문이다. 하지만 전력 생산 효율의 한계가 명확해 실리콘 태양전지에 페로브스카이트* 태양전지를 접합하고 효율을 높인 탠덤 태양전지가 주목받고 있다.

* 페로브스카이트(Perovskite) : 티탄산칼슘(CaTiO₃)과 같은 결정구조를 갖는 물질로, 빛을 효과적으로 흡수하여 차세대 태양전지 소재로 주목받고 있음

□ 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 34.6%의 높은 효율을 자랑한다. 하지만 무게가 무겁고 물리적인 충격에 약해 경량성과 적용성이 중요한 자동차, 항공기, 인공위성 등 분야에는 활용에 제한이 있다.

□ 이를 극복하기 위해 유연 박막 페로브스카이트/CIGS* 탠덤 태양전지가 개발되고 있다. CIGS 기반 박막 태양전지는 매우 가볍고 휘어지는 특성을 가져 곡선 형태의 건물, 자동차, 항공기 등에 활용될 수 있다. 그러나 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에 비해 효율이 낮고 제작의 난이도가 높아 상용화 단계에 접어들지 못했다.

* CIGS : 구리-인듐-갈륨-셀레늄(CuIn_1-xGa_xSe₂) 화합물 반도체로 광전기적 특성이 우수해 박막형 태양전지의 광흡수층으로 사용됨. 특히 유연성이 높은 폴리이미드나 금속필름 상에 제작돼 매우 유연한 특성을 지님

■ 에너지연 연구진은 유연 탠덤 태양전지 제작 공정의 작업성과 전지의 유연성, 경량성을 높이기 위해 ‘리프트오프(Lift-off)’ 공정을 개발하고 태양전지의 성능 향상 원인을 규명했다. 이를 통해 제작된 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 23.64%의 전력 생산 효율을 나타내 세계 최고 수준을 달성했다.

□ 연구진이 개발한 리프트오프 공정은 유리 기판 위에 폴리이미드층을 코팅하고 그 위에 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지를 제작한 뒤 분리하는 방식이다. 유연성이 좋은 폴리이미드 필름 자체를 기판으로 활용하던 기존 공정과 달리, 딱딱한 유리를 지지기판으로 활용하기 때문에 이전보다 안정적으로 전지를 제작할 수 있다. 평평한 유리 기판을 사용함으로써 태양전지의 각 층이 균일하게 증착돼 성능과 제작 재현성이 높아진 것도 장점이다.

□ 또 연구진은 전지의 결함을 줄여 성능을 향상시키는 방법도 규명했다. 전지 제작 과정 중 칼륨 등의 알칼리 금속 원소는 유리기판에서 CIGS 광흡수층으로 확산된다. 이때 칼륨이 과하게 확산되면 광흡수층 내에 전하의 흐름을 방해하는 결함을 발생시켜 전지의 성능이 저하될 수 있다. 하지만 지금까지 칼륨의 확산을 적절하게 억제하는 기술은 보고되지 않았다.

□ 연구진은 계산과학을 통해 유리기판 위에 코팅된 폴리이미드층이 칼륨의 확산을 억제할 수 있음을 예측하고 전지에 적용해 CIGS 광흡수층의 결함을 최소화하는데 성공했다. 이를 통해 제작된 태양전지는 23.64%의 전력 생산 효율을 나타냈으며 기존 유연 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지의 최고 효율인 18.1%를 크게 웃돌았다.

□ 이외에도 연구진은 제작된 CIGS 태양전지의 내구성을 검증하기 위해 소재의 기계적 성질을 측정하고, 시뮬레이션을 통해 구부러졌을 때 가해지는 힘을 분석했다. 십만 번의 구부림 테스트를 진행한 결과, 연구진이 제작한 태양전지는 초기 효율의 97.7%를 유지해 우수한 내구성을 나타냈다.

■ 연구를 주도한 정인영 선임연구원은 “이번 연구는 유연성과 경량성을 갖춘 고효율 차세대 태양전지 기술의 상용화 가능성을 증명한 핵심 성과”라며, “향후 효율 30%급 초경량 유연 태양전지 실현을 위한 중요한 이정표”라고 밝혔다.

□ 교신저자인 김기환 책임연구원은 “제작된 전지의 무게당 출력비는 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지보다 약 10배가량 높아 초경량 모듈이 필요한 건물 외장재, 차량, 우주 항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”며 “대면적화 공정 개발과 안정성 향상 연구를 추진해 관련 산업의 경쟁력 강화와 신·재생에너지 보급 확대에 크게 기여할 수 있을 것”이라고 밝혔다.

■ 한편 이번 연구는 에너지/재료 분야 국제 저명학술지인 ‘줄(Joule, IF 38.6)’ 지의 3월호에 게재됐으며, 한국에너지기술연구원 기본사업의 지원으로 경상국립대학교 이태경 교수, 연세대학교 김해진 교수와의 공동 연구를 통해 수행됐다.