획기적인 제조 공정 통해 저렴한 고전압 기술 구현

김 미 선 기자

기존과 다른 획기적인 제조 공정을 사용해 저렴하면서 고전압을 구현하는 박막 태양전지 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.한국과학기술연구원(이하, KIST) 청청에너지연구센터 민병권 박사팀은 프린팅 방법과 같은 저가형 공정을 이용해 고전압을 낼 수 있는 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.

태양전지 제조에 있어 용액을 통한 페이스트 코팅 제조 공정은 박막 태양전지의 제조비용을 획기적으로 줄일 수 있는 핵심 기술로 알려져 있다. 기존의 진공 증착법 공정에서 필요한 고가의 진공장비가 필요 없고, 인듐과 같은 고가 원료의 손실이 적으며 매우 빠른 공정 속도를 구현할 수 있기 때문이다.

또한, 고전압을 만들어 낼 수 있는 박막 태양전지 기술은 태양전지 모듈에서 일반적으로 발생하는 전기 손실을 줄여 궁극적으로 모듈의 효율성을 향상시키는 중요 기술이다. 보통 태양전지는 단위 셀들을 많이 연결할수록 저항이 커져 효율이 감소하게 되는데, 단위 셀 자체가 고전압을 발생하게 되면 그만큼 모듈에 들어가는 단위 셀의 숫자가 줄어들어 전체적으로 효율 감소가 줄어들기 때문에 단위 셀의 전압을 높이는 것이 태양전지 효율성 확보의 관건이라 할 수 있다.

고전압 박막 태양전지를 구현하기 위해서는 넓은 띠간격(Wide Band-Gap)을 갖는 반도체 박막을 제조해야 한다. 띠간격은 반도체에서 전자가 채워져 있는 띠와 그렇지 않은 띠 사이의 간격(에너지 차이)을 의미하는데 넓은 띠간격을 가질수록 태양전지가 고전압을 발생할 가능성이 커진다. 하지만 반도체 물질의 띠간격이 너무 크게 되면 그만큼 빛 흡수량이 적어져 효율이 감소하기 때문에 고전압이 발생하면서 효율이 최대가 될 수 있는 최적의 띠간격을 발견하고 이를 유지하는 것이 중요하다.

KIST 민병권 박사팀은 기존에 사용하던 셀레늄(Se) 대신 황(S)으로 이뤄진 CIGS(구리-인듐-갈륨-황 화합물) 박막을 간단한 특수 용액을 기판에 바르는 페이스트 코팅법으로 제조해 띠간격 1.5eV 이상을 갖는 박막 구현에 성공했다. 또한 이를 적용한 태양전지 소자 제작을 통해 태양광-전기 변환 효율 8.3%, 개방 전압 787mV의 효율을 달성했다. KIST 측에 따르면, 이는 현재 보고된 저가형 고전압 CIGS 박막 태양전지 중 세계 최고 효율이라는 평가다.

특히, 이번 개발에서는 독성이 강하고 폭발성이 큰 용매를 사용하거나 글러브 박스(Glove Box)와 같은 제한된 공간에서만 실험이 가능했던 페이스트 코팅 공정을 알코올과 같은 비교적 안전한 용매를 이용해 일반 공기 중에서 구현이 가능하도록 개선해 적용시킨 것이 특징이다. 페이스트 제조와 코팅 과정이 보통의 대기 중에서 이뤄지게 되면 태양전지의 대면적화 및 대량생산에 매우 유리하며, 더 나아가 고전압이 요구되는 태양광-물 분해 수소 제조의 광전극 기술로도 응용이 가능하다.

민병권 박사는 “이번에 개발된 박막 태양전지 제조 기술은 저렴한 비용으로 대량생산이 가능하기 때문에 발전용뿐 아니라 건물용 태양전지로도 적용이 가능하며, 유연성 기판에도 적용할 수 있어 다양하게 응용할 수 있다”고 설명했다. 또한 그는 “태양광을 이용해 물을 분해해 수소를 생산하는 기술에는 2V 이상의 전압이 필요한데, 고전압을 낼 수 있는 이번 기술이 응용될 수 있다”고 덧붙였다.

한편, 이번 연구는 KIST 기관 고유사업 및 교육과학기술부 신기술융합형 성장동력사업의 연구비 지원으로 수행됐으며, 지난 1월 11일에는 태양전지분야 최고 권위지인 ‘Progress in Photovoltaics’ 온라인판에 게재되기도 했다.

SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)

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