현재 태양광발전은 생산단가가 싸고 대량 생산에 유리한 실리콘 기반 단일접합 태양전지가 주로 사용된다. 탠덤 태양전지는 기존 단일접합 태양전지의 효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 기술로 각광받고 있다.
이중 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지는 초고효율을 달성할 수 있는 차세대 태양전지 기술로 최근 연구개발이 활발하다. 페로브스카이트는 티탄산칼슘과 같은 결정구조를 갖는 물질로, 빛을 효과적으로 흡수할 수 있다.
그러나 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 높은 효율성에도 무겁고 물리적 충격에 약해 자동차, 항공기, 인공위성 등 주요 기기에서 활용이 제한적이다.
이에 대안으로 떠오른 페로브스카이트/CIGS 박막형 탠덤 태양전지는 고효율뿐만 아니라 경량성, 유연성을 갖출 수 있지만, 최고 효율이 18.1% 단일접합 태양전지보다 낮고 제작 난이도가 높아 상용화가 요원했다.
유연한 태양전지 최고 발전효율 달성
한국에너지기술연구원(이하 에너지연)이 세계 최고 효율의 초경량 유연 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지를 개발했다.
이번에 개발한 태양전지는 전력생산 효율 23.64%로 세계 최고수준을 달성하고, 가볍고 곡선형태에 부착할 수 있어 건물, 자동차, 항공기 등에 적용할 수 있을 전망이다.
CIGS는 구리-인듐-갈륨-셀레늄 화합물 반도체로, 광전기적 특성이 우수해 박막형 태양전지의 광흡수층으로 사용되며, 특히 유연성이 높은 폴리이미드나 금속필름 상에 제작함으로써 매우 유연한 특성을 지닌다.
연구팀은 유연 탠덤 태양전지 제작공정 작업성과 전지의 유연성, 경량성을 높이기 위해 ‘리프트오프(Lift-off) 공정’을 개발했다.
리프트오프 공정은 유리기판 위에 폴리이미드 층을 코팅하고, 그 위에 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지를 제작한 후 분리하는 방식이다.
이는 유연성이 좋은 폴리이미드 필름 자체를 기판으로 활용하던 기존 공정과 달리 딱딱한 유리를 지지기판으로 활용하기 때문에 이전보다 안정적으로 전지를 제작할 수 있다.
또 평평한 유리 기판을 사용해 태양전지 각 층이 균일하게 증착됨으로써 성능과 제작 재현성 모두 높아진 것도 장점으로 꼽힌다.
이와 함께 연구팀은 전지의 결함을 줄여 성능을 향상시키는 방법도 규명했다.
전지 제작과정 중 칼륨 등 알칼리금속 원소는 유리기판에서 CIGS 광흡수층으로 확산된다. 이때 칼륨이 과도하게 확산되면 광흡수층 내 전하의 흐름을 방해하는 결함이 발생, 전지 성능이 저하될 수 있다. 그러나 지금까지 칼륨 확산을 억제하는 기술은 보고되지 않았다.
이에 연구팀은 유리기판 위 코팅된 폴리이미드 층이 칼륨의 확산을 억제할 수 있음을 예측하고 전지에 적용, CIGS 광흡수 층 결함을 최소화하는데 성공했다.
이를 통해 제작한 태양전지는 전력생산효율 23.64%로, 기존 유연 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지의 최고 효율 18.1%를 크게 앞질렀다.
아울러 연구팀은 개발한 CIGS 태양전지 내구성을 검증하기 위해 시뮬레이션으로 구부렸을 때 가해지는 힘을 분석한 결과 십만 번 구부림에도 초기 효율의 97.7%를 유지하며 우수한 내구성을 입증했다.
이번 연구를 주도한 정인영 에너지연 선임연구원은 “이번 초경량·고효율 유연 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 기술은 사용처 다변형 태양전지 보급과 분산발전 효용성 확대에 기여할 것”이라고 말했다.
또 교신저자 김기환 에너지연 책임연구원은 “이번에 제작한 전지는 무게 당 출력비가 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지보다 10배 높아 초경량 모듈이 필요한 다양한 분야에 적용할 수 있다”고 설명했다.
한편, 이번 연구는 경상대, 연세대와 공동으로 수행했고, 연구결과는 에너지·재료 분야 국제학술지 ‘줄(Joule, IF 38.6)’에 지난달 19일에 게재됐다.
