재료연, 유연기판 투명 박막 태양전지 세계 최초 개발

한국재료연구원(KIMS) 나노표면재료연구본부 권정대 박사연구팀이 부산대 송풍근 교수, 한국항공대 신명훈 교수 연구팀과 함께, 레이저를 이용한 전사공정으로 빛을 산란시키는 구조체가 융합된 유연기판을 개발하고, 이의 굴절률 매칭을 통해 후면의 광반사를 최소화해 높은 양면 발전성을 가진 유연기판 투명 박막 태양전지를 세계 최초로 구현하는 데 성공했다.

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. 하지만 이러한 공정은 제조공정이 복잡하거나 결함을 발생시킬 가능성이 커 유연기판에 적용하기 어려운 한계가 있었다.

연구팀은 광산란 구조를 가진 산화아연 박막 위에 레이저 흡수층을 증착한 후, 그 위에 광산란 구조체와 똑같은 형상을 가진 약 20마이크로미터(㎛) 두께의 광산란 구조 융합형 유연기판을 제조해, 레이저를 이용한 전사 공법을 개발 및 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.

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

유연기판 투명 박막 태양전지 기술은 기존의 건물에 추가적인 자재 설계 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.

연구책임자인 재료연 권정대 책임연구원은 “이 기술이 상용화되면 간단하면서도 공정상 어려움이 없는 광산란 구조 융합형 유연기판 투명 박막 태양전지의 개발과 더불어, 광흡수 메커니즘이 개선된 양면 발전용 BIPV 시스템 실현이 가능할 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

이번 연구성과는 과학기술정보통신부의 지원으로 한국재료연구원 주요사업 및 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업을 통해 수행됐다. 또한 연구결과는 전자공학 분야 최상위권 저널이자 네이처 자매지인 ‘엔피제이 플렉서블 일렉트로닉스’에 3월 27일자로 게재됐다. 현재 연구팀은 유연기판을 이용한 BIPV의 효율적 측면 외에 심미적 측면을 고려한 분야에서도 활발하게 연구를 수행 중이다.

서명수 기자 seo.myongsoo@joongang.co.kr