'양면 발전' 건물부착용 태양전지 세계 최초 개발

한국재료연구원

국내 연구진이 세계 최초로 양면 발전이 가능한 건물 부착용 태양광 기술을 개발했다.

한국재료연구원(KIMS)은 권정대 나노표면재료연구본부 박사연구팀이 송풍근 부산대 교수, 신명훈 한국항공대 교수 연구팀과 함께 레이저를 이용한 전사공정으로 빛을 산란시키는 구조체가 융합된 유연기판을 개발했다. 또 이를 활용해 굴절률 매칭을 통해 후면의 광반사를 최소화해 높은 양면 발전성을 가진 유연기판 투명 박막 태양전지를 세계 최초로 구현하는 데 성공했다고 10일 밝혔다.

한국재료연구원이 개발한 양면 발전용 건물일체형 태양전지. 사진출처=한국재료연구원

투명 박막 태양전지의 광흡수층은 300나노미터(㎚) 이하의 극도로 얇은 두께를 갖기 때문에, 발생하는 전류량을 증가시키기 위해 광산란 구조를 도입한다. 지금까지의 연구는 주로 태양전지에 적용되는 투명 산화물 반도체의 에칭공정과 포토리소그래피공정을 이용해 광산란 구조를 만들어 발생시켜왔다. 그러나 제조공정이 복잡하거나 결함을 발생시킬 가능성이 커 유연기판에 적용하기 어려운 한계가 있었다.

연구팀은 광산란 구조를 가진 산화아연 박막 위에 레이저 흡수층을 증착했다. 그 위에 광산란 구조체와 똑같은 형상을 가진 약 20마이크로미터(㎛) 두께의 광산란 구조 융합형 유연기판을 제조해 레이저를 이용한 전사 공법을 개발해 기존 공정의 한계를 극복했다. 이때 형성된 20마이크로미터 두께의 유연기판은 51.9%의 광 산란도를 보였으며, 반대면에 형성된 실리콘 박막 태양전지는 광산란이 없는 유연기판 태양전지에 비해 효율이 9.7%만큼 개선됐다. 해당 공정은 작게는 5×5㎝에서부터 크게는 14×14㎝ 크기의 태양전지 기판 형성이 가능해, 구조체로 인해 야기되는 결함을 최소화해 기존 태양전지 공정에 적합한 특성을 가진다.

레이저를 이용해 유연기판의 투과도를 감소시키지 않고도 효과적으로 광산란을 발생하는 구조체를 전사 및 융합해 태양전지의 발전 효율을 높였다. 특히 광산란 구조체의 반대쪽 면에 성장해 구조체로 인한 결함이 발생하지 않고 재료 본연의 특성으로 인한 결함 최소화가 가능하다. 다양한 박막 태양전지용 흡수체에 적용 및 BIPV용 유연기판 투명 박막 태양전지의 고효율화 척도가 될 것으로 기대된다. 또 후면 입사광의 손실을 최소화하는 창층설계로 반사광을 감소시켜 높은 수준의 양면 발전성까지 확보했다.

유연기판 투명 박막 태양전지 기술은 기존의 건물에 추가적인 자재설계 없이, 건물을 구성하는 모든 요소에 부착 및 발전이 가능하다. 기존 대비 상대적으로 높은 효율을 갖는 유리·금속 기판에 형성된 태양전지 시장을 낮은 비용으로 효과적으로 대체할 수 있을 것으로 기대된다. 또한 영농형 태양광 발전 등 좀 더 다양한 분야로 적용이 가능할 것으로 예상된다.

권 책임연구원은 “간단하면서도 공정상 어려움이 없는 광산란 구조 융합형 유연기판 투명 박막 태양전지를 개발했다"면서 "광흡수 메커니즘이 개선된 양면 발전용 건물일체형 태양광 발전(BIPV) 시스템 실현이 가능할 것으로 기대하고 있다"고 말했다.

이번 연구 결과는 전자공학 분야 국제학술지 ‘엔피제이 플렉서블 일렉트로닉스(npj flexible electronics, IF: 12.019)’에 지난달 27일 게재됐다.

김봉수 기자 bskim@asiae.co.kr