[인더스트리뉴스 이주야 기자] 최근 BIPV 설치비를 최대 70%까지 지원해주는 등 임야태양광의 반대급부로 부상하고 있는 건물태양광 시장이 확대일로에 있다. 하지만 BIPV 시장이 무한한 성장 가능성을 가졌음에도 불구하고 건물의 창호나 벽면, 발코니에 설치해야 하는 특성으로 인해 낮은 입사각에 따른 효율 저하, 건축물과의 조화, 심미성, 음영에 따른 발전 효율 하락 등의 문제가 발목을 잡고 있는 실정이다.

이런 가운데 한국에너지기술연구원에서 CIGS 박막 태양전지의 광전변환효율을 획기적으로 끌어올린 ‘폴리머 기판 적용 고효율 플렉시블 CIGS 박막 태양전지 기술’을 개발해 관심을 끌고 있다. 이번 연구를 이끈 신재생에너지연구소 윤재호 박사는 “세계 최고 수준인 20.4%의 태양전지 변환효율을 달성한 CIGS 박막 태양전지 제조기술 개발을 통해 안정성과 효율, 기능성이 구비된 태양광 모듈 제조 가능성을 입증했다는데 의의가 있다”고 말했다.

BIPV 및 DIPV 등 다양한 산업에 적용이 가능한 차세대 고부가가치 기술로 국내 CIGS 박막 태양전지 사업화를 위한 새로운 교두보를 마련하는데 일조한 윤재호 박사를 대전 신재생에너지연구소에서 직접 만나봤다.

한국에너지기술연구원 윤재호 신재생에너지연구소장 [사진=인더스트리뉴스]

상대적으로 결정질 태양광에 비해 주목을 덜 받고 있는 CIGS 박막 태양광 연구를 시작한 계기는 무엇인가?

기존의 대량보급용 양산형 태양광 모듈은 그 기능성 및 심미성에 한계를 가지고 있다. 따라서 수요대응에 용이하며 고부가가치를 지닌 차세대 기술인 건축물일체형 태양광(BIPV) 뿐만 아니라 기기일체형 태양광(DIPV) 응용에 적합한 도시형 태양전지 원천기술로써, 폴리머 기판을 활용한 고효율 경량 플렉시블 CIGS 무기박막 태양전지 소자 기술이 경쟁력을 가질 것으로 판단했다

지금까지의 연구 전개 과정에 대해 소개한다면?

플라스틱(폴리머) 기판에 적용 가능한 CIGS 박막 광흡수층의 저온 성막 기술을 개발하고, 이를 기반으로 유연 폴리머 기판 상 CIGS 박막 태양전지 제조기술 뿐만 아니라 리프트-오프(lift-off) 공정을 적용한 원천기술도 확보했다. 전문성을 기반으로 제조기술을 고도화할 수 있도록 ETRI, DGIST, KIST, KAIST, 고려대 등과 공동연구하고, 실패한 공정이 성공에 기여할 수 있도록 분석시스템을 체계화하기 위해 전남대, 이화여대, KAIST, 인천대와 공동연구를 수행했다. 추후 모듈화 및 실증을 위한 기반기술을 확보하기 위해 한밭대, 청주대 등과 협업하며, 참여기업 및 수요기업협의체의 자문 및 협력을 기반으로 연구개발 중이다.

그동안 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소는 무엇이며, 어떻게 해결했나?

유리기판 등 딱딱한 기판을 사용하는 공정과 달리 플라스틱 기판의 유연성으로 인해 공정 최적화 및 제조소자 특성 변화 등이 초래되어 소자의 물리적 내구성 저하가 태양전지의 효율저하로 이어졌다. 이를 극복하기 위해 광흡수층에 대한 알칼리 도핑, 계면접합 특성뿐만 아니라 완충층, 창층 증착기술을 고도화했으며, 전·후면전극 공정 및 특성이 소자성능에 미치는 영향을 연구해 손실요인을 분석하고, 연구단의 전문화된 분석기술을 체계화해 성능평가 기술을 확보함으로써 고효율 태양전지 개발에 필수적인 분석시스템을 구축했고, 이를 통해 태양전지의 고효율을 달성할 수 있었다.

윤재호 박사는 “플렉시블 CIGS 박막 태양전지 기술이 상용화되면 심미성과 적용성이 우수한 BIPV 활성화를 견인할 것으로 기대된다”고 말했다. [사진=인더스트리뉴스]

이번 연구 성과는 기존 연구 성과와 무엇이 다른가?

여타의 유기기반 태양전지와 달리 고도의 안정성을 갖는 CIGS 박막을 기반으로 경량 폴리머 기판에서 고효율 태양전지 기술이 확보됨에 따라 소재 안정성, 효율, 기능성 등을 모두 보유한 태양광 모듈 제조 가능성을 입증했다. 유연기판 박막 태양전지 분야에서 국내최초로 20% 이상의 효율을 달성했을 뿐만 아니라, 상용제품에 적용 가능한 저온 공정 및 굽힘 성능을 포함하는 물리적 내구성 등 모듈화 기술을 확보해 곡면적용 등의 응용성 확대 가능성을 확인했다.

이번에 개발한 기술이 실용화된다면 어떻게 활용될 수 있으며, 실용화를 위한 과제는 무엇인가?

30개월(1단계)의 연구로 ‘양산연계가 가능한 차세대 고효율 플렉시블 CIGS 박막 태양전지 원천기술’을 확보했으므로, 향후 2단계 30개월의 연구를 통해 원천기술을 고도화함과 동시에 참여기업 및 수요기업협의체와의 연계를 통해 ‘고내구성·고효율의 플렉시블 CIGS 서브모듈 기술개발’을 성공적으로 수행한다면 실용화에 한걸음 더 다가갈 수 있을 것으로 기대한다.

앞으로 꼭 이루고 싶은 목표나 후속 연구계획은?

원천기술 상용화에 필수불가결한, 기술성숙도에 걸맞는 인프라 확보를 도모하여 ‘롤투롤(R2R) 공정기반 대면적 모듈 제조를 위한 단위 공정 장비·기술·플랫폼 구축 및 실증’을 통해 심미성과 기능성이 극대화된 태양광 모듈 보급에 기여해 도시형 프로슈머 시장을 선도할 수 있기를 기대한다.

[이주야 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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