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양자점 기반 광대역 CIGS 박막태양전지 기술 국내 연구진에 의해 개발광주과학기술원 장재형 교수 연구팀 광대역 고효율 박막태양전지 기술 개발성공

[솔라투데이 탄소제로 최홍식 기자] 파리 기후변화협정 이후 많은 나라에서 에너지 신산업에 대한 비전을 제시하고 목적 달성을 위해 친환경에너지 사용을 확대하고 있다. 제로에너지 빌딩이나 건물일체 태양광발전 등 미래 지향적이면서 친환경적인 기술개발의 중요성이 높아졌으며, 실제 관련 기술 개발과 연구가 활발하게 진행되고 있다. 

CIGS 태양전지 자료사진 [사진=dreamstime]

광주과학기술원(GIST) 차세대에너지연구소 장재형 소장(전기전자컴퓨터공학부 교수)과 인천대학교 윤주형 교수 공동 연구팀이 양자점을 이용한 광대역 CIGS 박막태양전지 기술 개발에 성공했다. 

CIGS 박막태양전지는 구리(Cu)와 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)으로 구성된 화합물 반도체를 태양광 흡수층으로 사용하는 박막태양전지를 말하며, 비 실리콘 태양전지 중에서도 에너지 변환효율이 가장 높고 가벼우며 휴대가 가능해 차세대 태양전지로 각광받고 있는 소재다.

광주과학기술원 차세대에너지 연구소 장재형 소장(왼쪽), 인천대학교 전기공학과 윤주형 교수(오른쪽) [사진=광주과학기술원]

기존 CIGS 박막태양전지의 한계를 극복할 수 있는 기술 요구 
기존 CIGS 박막태양전지는 자외선 영역을 포함하는 300에서 520 나노미터의 짧은 파장대역의 태양빛이 태양전지 상부의 투명전극과 버퍼층에서 흡수되어, 본 파장대역의 태양에너지를 전기에너지로 변환하지 못하는 한계가 있었다. 따라서 짧은 파장대역의 태양광을 효과적으로 활용할 수 있는 새로운 CIGS 박막태양전지 기술 개발이 요구되어 왔다. 

앞서 언급한 투명전극은 태양전지의 빛이 입사되는 쪽 표면에 형성시킨 광투과율이 높으면서 전기 전도율이 우수한 성질을 가진 전극이다. CIGS 박막태양전지에서는 주로 징크 옥사이드(ZnO) 및 알루미늄이 도핑된 ZnO를 사용한다. 

버퍼층은 p-형 전도 특성을 띠는 CIGS 광흡수층과 p-n 접합을 이루기 위한 n-형 반도체로 CIGS 박막태양전지에서는 주로 카드뮴 설파이드(CdS)를 널리 사용하고 있다.  

차세대 형광물질 이용해 새로운 태양전지 개발
연구팀은 차세대 형광물질인 양자점을 이용해 기존 태양전지에서 효과적으로 사용되지 못한 짧은 파장대역의 태양에너지 빛을 전기에너지로 변환 가능케 할 수 있으리라는 아이디어에서 연구를 시작했다.

양자점은 나노 크기의 반도체 입자로서, 구성물질 및 크기 조절을 통해 광학적 특성을 조절할 수 있으며, 이런 양자점의 성질들을 이용해 최근에는 디스플레이 및 광전 소자의 광학 소재로 널리 응용되고 있다.  

연구팀은 짧은 파장대역의 빛을 대부분 흡수해 가시광 대역의 빛을 발광하는 고효율 양자점 개발에 성공했으며, 이를 CIGS 태양전지 상부의 반사방지막과 투명전극 층 사이에 적용했다.  

그 결과, 기존 CIGS 박막태양전지 상부에서 발생하는 짧은 파장대역의 손실을 해결했을 뿐만 아니라 가시광 및 적외선 영역은 물론 자외선 영역의 태양광을 전기에너지로 변환 가능하다는 것을 확인했다. 또한, 양자점과 반사방지막의 결합을 통해 양자점의 발광 손실 및 표면반사 손실을 최소화 해 광대역 고효율 CIGS 박막 태양전지를 실현했다. 

A. 투명전극(ZnO:Al/i-ZnO)과 반사방지막(MgF2)층 사이에 양자점(Quantum dot)이 적용된 CIGS 박막태양전지 구조도

B. 양자점이 적용된 CIGS 태양전지(빨간색)와 양자점이 없는 CIGS 태양전지(검정색)의 외부양자효율(External Quantum Efficiency)* 비교그래프. 양자점이 없는 CIGS 태양전지의 경우 520 나노미터 이하(점선참조) 파장대역에서 외부양자효율이 급격하게 감소하는 반면, 양자점을 적용할 경우 기존 손실 되는 짧은 파장영역(노란색) 빛의 하향변환(Down-shift)을 통하여 외부양자효율이 증가하게 된다. 520 나노미터 이상 파장대역에서도 태양전지 표면에서 발생하는 빛의 반사를 감소시켜 양자효율이 증가함을 알 수 있다. [그림=광주과학기술원]

현재까지 양자점을 응용한 태양전지 기술개발은 실리콘 태양전지 및 Ⅲ-Ⅴ화합물 반도체 태양전지를 이용한 연구가 주를 이루고 있었다. 연구팀의 이번 연구 결과는 다양한 후보군의 태양전지에 활용 가능할 수 있음을 보여줬다는데 의의가 있다. 

이에 따라 고가의 결정질 실리콘 태양전지를 대체해 태양광발전의 경제성을 획기적으로 향상 가능하게 할 것으로 보인다. 광대역의 태양광 사용이 가능하게 됨에 따라 우주용 경량 고효율 태양전지 기술에 효과적으로 응용될 것으로 기대된다. 저가형 고효율 태양전지 개발에 적합한 CIGS 박막태양전지는 에너지 변환 효율이 높기 때문에 태양광 발전소 뿐만 아니라 휴대용 경량 태양전지로도 활용 가능해 폭넓은 응용이 가능할 것으로 전망된다. 

[최홍식 기자 (st@infothe.com)]

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