차·비행기에 붙이는 ‘플렉서블 태양전지’ 세계 최고 성능 달성

곡면에 붙여 전기 수급 가능한 신기술
에너지연, 전력효율 18→24% 경신

태양광 발전 시설. 이미지투데이

[서울경제]

국내 연구진이 가볍고 잘 휘어져 건물, 자동차, 항공기 등에 부착할 수 있는 세계 최고 성능의 ‘플렉서블 태양전지’를 개발했다.

한국에너지기술연구원은 페로브스카이트·구리인듐갈륨셀레늄(CIGS) 탠덤 태양전지를 제작하고 세계 최고 효율을 달성하는 데 성공했다고 4일 밝혔다. 이 태양전지는 가볍고 유연해 곡선 형태의 건물이나 자동차, 항공기 표면에 부착할 수 있다는 게 연구팀의 설명이다. 연구성과는 국제 학술지 ‘줄’에 지난달 게재됐다.

현재 태양전지는 단가가 싸고 대량 생산에 유리하지만 발전 효율에 한계가 이어 페로브스카이트라는 신소재를 접합한 탠덤 태양전지가 주목받고 있다. 탠덤 태양전지는 34.6%의 발전 효율을 자랑하지만 무게가 무겁고 충격에 약해 상용화에는 한계가 있다. 이 한계를 보완한 것이 연구팀의 페로브스카이트·CIGS 탠덤 태양전지다.

연구팀은 기존 페로브스카이트·CIGS 탠덤 태양전지의 저효율 문제를 해결해 23.64%라는 동종 기술 중 세계 최고 효율을 달성하는 데 성공했다. 기존 최고 효율은 18.1%였다. 탠덤 태양전지 제작 공정의 작업성과 전지의 유연성, 경량성을 높이기 위해 ‘리프트오프’ 공정을 개발하고 태양전지의 성능 향상 원인을 규명한 덕읻.

연구팀은 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.

연구팀은 또 개발한 태양전지의 내구성을 검증하기 위해 소재의 기계적 성질을 측정하고 시뮬레이션을 통해 구부러졌을 때 가해지는 힘을 분석했다. 10만 번의 구부림 테스트를 진행한 결과 연구진이 제작한 태양전지는 초기 효율의 97.7%를 유지해 우수한 내구성을 나타냈다.

연구를 주도한 정인영 에너지연 선임연구워는 “유연성과 경량성을 갖춘 고효율 차세대 태양전지 기술의 상용화 가능성을 증명한 핵심 성과”며 “향후 효율 30%급 초경량 유연 태양전지 실현을 위한 중요한 이정표”라고 말했다.

김윤수 기자 sookim@sedaily.com