“극한환경서도 안정적 작동”…우주로 나간 ‘K-태양전지’

- 초경량·유연 CIGS 태양전지 구현
- 누리호 탑승 우주환경서 실증까지

연구진이 개발한 초경량 태양광 모듈이 적용된 위성 모형.[한국에너지기술연구원 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] “우리손으로 만든 태양전지 우주로 나갔다.”

최근 민간주도 뉴스페이스 시대가 본격화되면서 소형 위성 제작 수요가 빠르게 증가하고 있다. 이에 발맞춰 위성의 안정적인 전력 공급을 담당하는 우주 태양전지의 중요성도 커지고 있다. 현재 우주 태양전지 시장은 III-V(갈륨-비소)계 다중접합 태양전지가 주류를 이루고 있지만 기술과 공급망이 미국, 독일 등 특정국가와 기업에 집중된 상태다. 특히 안보 이슈로 인한 수출 통제가 강화되면서 높은 비용뿐만 아니라 필요할 때 태양전지를 확보하지 못하는 공급 차질까지 겪고 있다.

한국에너지기술연구원 김기환 박사 연구팀은 차세대 우주용 이중접합(탠덤) 태양전지 구현을 위한 초경량 유연 CIGS-페로브스카이트 태양전지를 개발했다.

CIGS는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄으로 이루어진 화합물 반도체 기반 태양전지다. 구성 원소들의 조합으로 밴드갭 조절이 가능해 다양한 빛의 파장에 최적화가 가능하고 경량화와 유연화를 통해 건물일체형 태양광, 우주 태양광 등에 활용되고 있다.

김기환 박사는 “이같은 한계를 극복하고 국내 우주 부품 자립화와 차세대 소형위성 시장 대응을 위해 초경량·유연 박막 태양전지 기술 개발을 추진하게 됐다”며 “단일 접합 태양전지의 한계 효율을 극복하기 위해 서로 다른 소재와 결합해 효율 향상과 비용절감을 꾀하고 있다”고 설명했다.

CIGS계 박막 태양전지는 열충격과 방사선에 강해 우주와 같은 극한 환경에서도 안정적인 성능을 유지할 수 있다는 것이 장점이다. 또한 초경량 유연 기판 위에 제작할 수 있어 무게와 부피 제약이 큰 소형위성 적용에 적합하다. 기존 III-V계 우주 태양전지 대비 대량 생산과 저비용 공정이 가능하다는 점도 큰 강점입니다. 특히 CIGS-페로브스카이트 탠덤 구조를 적용하면 경량화와 고효율화를 동시에 구현할 수 있어 차세대 우주 태양전지 시장에서 경쟁력 있는 대안이 될 수 있다.

한국에너지기술연구원 연구진이 개발된 태양전지 모듈을 점검하고 있다.[한국에너지기술연구원 제공]

연구팀의 성능 실험결과 초경량 유연 CIGS-페로브스카이트 이중접합 태양전지는 23.64%의 높은 효율을 구현했다. 이는 기존 유연 CIGS-페로브스카이트 탠덤 태양전지의 최고 효율인 18.1%를 크게 웃도는 수치다.

이 태양전지는 지난해 11월 누리호 4차 발사에 탑재된 큐브위성 ‘INHARoSAT’에 부착돼 신뢰성을 검증하고 우주 임무 수행 경험을 확보했다.

김 박사는 “향후 초경량·유연 CIGS 박막 태양전지 기술을 기반으로, 소형위성의 수명과 임무 특성에 최적화된 우주용 CIGS-페로브스카이트 탠덤 태양전지를 개발할 계획”이라면서 “올해 하반기 예정된 누리호 5차 발사와 상용 플랫폼을 활용한 후속 우주 실증을 통해 신뢰성과 성능을 지속적으로 검증해 나갈 예정”이라고 밝혔다.

이어 “이를 바탕으로 국내 우주 태양전지 기술 자립화를 앞당기고, 글로벌 소형위성용 태양전지 시장 진출을 위한 사업화 기반을 마련하겠다”고 덧붙였다.