한국재료硏, 다양한 반사색 구현 투명박막 태양전지 개발

에너지전자재료연구실 권정대 박사 연구팀
단일 재료 사용에 저렴하고 효율성도 높아
다양한 박막 태양전지용 흡수체 적용 가능

[창원=뉴시스] 홍정명 기자=단일재료를 적층으로 활용하여 빨강·초록·파랑 삼원색을 구현한 투명박막 태양전지.(그림=한국재료연구원 제공) 2023.08.21. photo@newsis.com

[창원=뉴시스] 홍정명 기자 = 한국재료연구원(KIMS)은 나노표면재료연구본부 에너지전자재료연구실 권정대 박사 연구팀이 다양한 반사색을 나타내면서도 태양전지 효율을 크게 떨어뜨리지 않는 유연기판 투명박막 태양전지를 세계 최초로 개발했다고 21일 밝혔다.

'투명박막 태양전지'는 수백 나노미터(nm) 수준의 광 흡수층을 이용해 태양광의 일부는 발전에 이용하고, 일부는 투과시키는 태양전지를 말한다.

권 박사 연구팀이 개발한 기술은 투명전극인 알루미늄을 도핑한 산화아연 재료에 수소를 주기적으로 혼입해 굴절률 차이를 유발함으로서 단일 재료만으로 반사색을 구현하는 기술이다.

5% 이하의 극도로 낮은 굴절률 차이의 다층박막을 설계해 태양전지 소자가 흡수하는 가시광 영역의 반사 손실을 최소화했다.

색상 구현으로 인한 태양전지 효율을 거의 떨어뜨리지 않아 다양한 박막 태양전지용 흡수체에 적용할 수 있다.

또, BIPV(건물 일체형 태양광, Building Integrated Photo Voltaic) 및 VIPV(차량일체형 태양광, Vehicle Integrated Photo Voltaic)용 유연기판 투명박막 태양전지의 심미성 증진 척도가 될 것으로 기대된다.

지금까지 투명박막 태양전지의 심미성 개선을 위한 색상 적용 방식은 굴절률 차이가 큰 재료의 다층 박막화 기술, 광특성 설계를 위한 색상제어 박막층 기술, 자연구조 모방형 구조색 기술들이 적용됐다.

이러한 기술은 넓은 반사 대역과 높은 반사도로 인해 가시광선을 흡수하는 태양전지에 부적합하거나, 두 가지 이상의 재료 수반 및 공정 등으로 산업적 적용에는 부담스런 측면이 있었다.

이에 권정대 박사 연구팀은 일반적인 반도체 및 태양전지 제조 공정에 사용되는 진공 스퍼터링(Vacuum Sputtering) 증착 방식으로 산화아연 박막을 증착하면서 주기적인 수소 반응을 통해 굴절률이 다른 다층박막을 형성시켰다.

이후 다층박막의 두께를 조절해 빛의 삼원색을 얻었고, 이때 전극의 색상은 가시광 영역의 빛을 흡수하는 태양전지에 적용해도 그대로 잘 구현됐다.

단일 재료 기반의 다층박막 투명전극은 추가적인 공정이 필요 없다. 따라서 낮은 비용으로 박막 태양전지의 다양한 색상과 높은 효율 구현이 가능할 것으로 기대된다.

또한 반사색은 광필터 역할에서 구현되므로, 이를 필요로 하는 이미지센서나 포토리소그래피용 마스크, 적외선 차폐 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

권정대 책임연구원은 "개발한 기술이 상용화되면 간단하면서 공정상 어려움이 없는 광필터 기술 및 고효율 유색 유연기판 투명박막 태양전지 개발, 그리고 심미적 특성을 고려한 현대 건축물의 BIPV와 차량의 VIPV 시스템을 실현하는 데 많은 도움이 될 것으로 기대한다"고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원으로 한국재료연구원 기본사업 및 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업을 통해 수행됐다.

연구 결과는 화학공학 분야 최상위권 저널(상위 3% 이내)인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 15.1)(제1저자: 최수원 박사, 공동교신 부산대 송풍근 교수, 한국항공대 신명훈 교수)에 8월 3일자로 게재됐다.

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