다양한 색상 구현 가능한 친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지 개발

[기계신문] 한국전자통신연구원(ETRI)이 기존의 어두운 색을 띠는 태양전지에 추가 공정이나 비용 없이 다양한 색상 구현이 가능한 친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지 개발에 성공했다. 또한, 광펌핑 테라헤르츠 분광법을 이용해 효율 향상 메커니즘을 세계 최초로 설명했다.

CIGS 박막 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 데 사용되는 차세대 태양전지로, 유리기판 등에 CIGS를 얇은 막으로 쌓아 올려 제작된다.

비 실리콘 계열 태양전지 중에서 높은 광 흡수율을 가져 에너지 변환 효율이 가장 뛰어나고 안정성이 좋다는 장점이 있다. 또한, 실리콘 계열 태양전지에 비해 원자재 소비가 적으며 공정 비용과 재료비용도 저렴하다.

하지만 유해 중금속인 카드뮴을 함유한 소재를 완충층으로 사용하기 때문에 상용화가 어렵다는 단점이 있었다. 이에 ETRI 연구팀이 황화카드뮴(CdS)의 대체재로 인체에 무해한 아연(Zn) 함유 소재를 이용하여 약 18% 수준의 유사한 변환효율을 내는 데 성공함으로써 이러한 한계는 일부 해소될 전망이다.

아울러 추가 공정이나 비용 없이 태양전지에 보라, 녹색, 청색 등 7가지 이상의 색깔을 구현해낼 수 있어 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가다. 연구팀은 물 위에 떠 있는 기름띠가 무지개색으로 보이는 빛의 간섭 현상에 착안해 박막 구성층 두께를 조절함으로써 여러 색깔을 구현하는 데 성공했다.

연구팀이 구현한 박막 태양전지의 두께는 3㎛에 불과하며 유리기판뿐만 아니라 유연기판에 코팅도 가능하다. 구부리거나 접을 수 있는 형태로 제작할 수 있어 건물 유리창에 부착하는 등 차세대 친환경 에너지원으로 쓰임새가 다양해질 전망이다. 또, 연구팀은 새로운 분석법으로 태양전지 효율 향상 메커니즘을 규명하는 데도 성공했다.

그동안 학계는 태양전지가 태양 빛에 장시간 노출될수록 변환효율이 증가하는 현상의 원인을 정확하게 규명하지 못한 상태였다. 이때 연구팀이 광펌핑 테라헤르츠 분광법을 이용하여 광펌핑 후 여기된 태양전지 내 전하의 움직임을 측정한 끝에 시상수를 도출해내면서 효율이 향상되는 직접적인 원리를 세계 최초로 설명했다.

정용덕 책임연구원은 “새로운 분석법을 개발하면서 친환경 고효율 태양전지 제작 기술력을 한층 더 높일 수 있는 가능성을 제시한 것”이라며 “이번 기술로 컬러가 구현된 고부가가치 태양전지 제품 생산과 차세대 응용 분야를 창출해 도시형 태양광 발전에 기여할 수 있을 것”고 밝혔다.

한편, 연구팀은 친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지 제조 기술을 태양광 모듈이나 도심형 건축물 건자재 및 이동체나 휴대용 기기 등에 적용하기 위한 비즈니스 모델 개발 및 상용화 지원 절차를 진행할 계획이다. 아울러 친환경 색상 구현기술을 유연기판에 적용해 가벼우면서도 심미성이 뛰어난 고효율 태양전지를 개발할 계획이다.

ETRI 강성원 ICT창의연구소장은 “전력의 수요-공급이 불균형한 현대 사회에서 차세대 신재생에너지원을 확보하는 일이 매우 중요해졌다”면서 “미래사회를 대비하기 위한 박막 태양전지 기술 개발을 선도하고 친환경 미래 에너지원 확보에 기여할 것”고 강조했다.

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