[한국에너지기술연구원 제공] 태양광발전을 비롯한 신재생에너지기술 발전 및 보급 확산에 따라 기존의 중앙집중식에서 분산발전형태로 전력공급 방식의 패러다임이 변화되고 있으며, 유비쿼터스 환경의 정보화 시대 도래와 함께 다양한 휴대용 전자기기에 대한 수요가 급증함에 따라 장소와 시간의 제약을 초월할 수 있는 프로슈머(prosumer)형 전원에 대한 요구가 증가하고 있다.

최근 인구 및 건물이 밀집된 대도시에 적합한 친환경 에너지원에 대한 요구 증대와 함께 건물에서의 전기 생산과 절감을 효율적으로 해결할 수 있는 제로에너지 건축물에 대한 수요가 증가하고 있다.

유연성이 확보된 태양전지는 곡면이 많은 대상이라도 그 형태에 맞게 변형이 가능해 건물용 BAPV(BIPV), 차량용 VIPV 또는 군사용, 노트북, 휴대폰 등 활용성이 높다. [사진=dreamstime]

BIPV는 도심지역에서의 신재생에너지 분산발전원으로 자가발전 및 소비가 가능한 친환경 건물을 위한 주요한 에너지원이 될 수 있다.

플렉서블 박막 태양전지는 심미성과 적용성이 우수해 기존의 대용량발전 시장을 대체할 수 있을 뿐만 아니라, BIPV(Building Integrated Photovoltaics(PV)) 혹은 BAPV(Building Attached PV)와 같은 마이크로 분산발전이나 VIPV(Vehicle Integrated PV) 및 DIPV(Device Integrated PV) 등과 같은 자가공급형 전원장치에도 적용이 가능하므로 생활밀착형 능동에너지원으로써 차세대 전력공급시스템에 매우 적합한 기술이다.

플렉시블 CIGS 박막 태양전지 기술의 효용

건축자재에서 색상, 형태, 투광도 등의 특성은 건물의 성격을 결정할 뿐 아니라, 타 건자재와의 조화에 민감한 요소로 작용하므로 기존 제품의 제한성을 해결하기 위한 BIPV 모듈의 심미성, 유연성, 경량화, 기능성 등이 건축주 및 건물 디자이너로부터 지속적으로 요구되고 있다.

건물일체형 태양전지(BIPV)에 가장 많이 적용되고 있는 결정질 실리콘 태양전지 모듈은 웨이퍼 기판을 사용하기 때문에 형태적 제한을 가지며, 곡면에서의 적용이 불가능하고, 심미성이 떨어지는 등 디자인 요소의 한계로 인해 주로 건물의 외벽이나 지붕에 제한적으로 설치되고 있다.

경량 유연 CIGS 박막 태양전지 제조 및 효율 특성. 유리기판 상에 코팅 후 lift-off한 폴리머 기판(좌), 폴리머 기판 상에 제조된 플렉시블 CIGS 박막 태양전지(중), 폴리머 기판 기반 플렉시블 CIGS 박막 태양전지 최고 변환효율 곡선(우) [사진=한국에너지기술연구원]

반면 CIGS 박막 태양전지는 기본적으로 건축재료인 유리기판을 사용하므로 BIPV에 적용시 단가절감이 가능하며 심미성과 대중 수용성이 우수할 뿐만 아니라 색상구현도 가능해 결정질 실리콘 모듈을 대체할 BIPV용 태양전지로 각광받고 있다.

Cu, In, Ga, Se의 4원소로 구성된 화합물을 태양전지의 광흡수층으로 사용하는 CIGS 박막 태양전지는 태양광의 광흡수계수가 높아 박막 태양전지 중 가장 높은 효율을 보고하고 있으며, 광흡수층 소재의 두께가 수 μm로 원소재 소비가 매우 적고 연속공정이 가능해 제조단가를 낮출 수 있는 장점을 가지고 있다.

또한 고내구성 및 장기안정성 측면에서 장점을 가질 뿐 아니라 경량 기판 상에 제조가 가능해 플렉서블 기판에 공정 시 상대적으로 높은 무게당 전력비(상용모듈 기준 8배 이상)를 얻을 수 있으므로 설치장소·공법 및 비용 측면의 유리함을 가지며, 기존의 유리 기판 태양전지보다 형태적 제약에서 자유로울 수 있기 때문에 다양한 응용분야의 창출이 가능하다.

기존의 유리기판 CIGS 박막 태양전지는 외부의 물리적 충격에 취약하고 무겁기 때문에 대면적 BIPV용으로 설치 시 별도의 하중에 대한 설계가 필요한 반면, 플렉서블 태양전지는 건물 등 응용대상의 설치형태에 따라 쉽게 구부리거나 휠 수 있고 가볍다는 장점이 있다.

생활밀착형 능동에너지원에 대한 요구

이러한 필요성에 따라 본 연구에서는 저렴한 재료비용 및 제조 공정, 설치 방식의 간소화로 BIPV용 태양전지를 위한 잠재력의 근간이 되는 폴리머 기판을 사용해 R2R 공정을 기반으로 플렉시블 CIGS 박막 태양전지 기술을 개발하고자 노력해왔다.

폴리머 기판을 적용한 R2R 제조 공정은 연속공정이 가능해 상용화 공정 중 양산성이 가장 우수하므로, 플렉시블 박막 태양전지의 제조에 적용할 경우 경제성을 획기적으로 개선할 수 있어 시장에서의 가격 경쟁력 확보가 가능하다.

원천성 및 양산성을 고려해 폴리이미드(polyimide, PI)를 기판으로 선택하되 열팽창계수가 높고 450℃ 이상에서의 열화 문제를 해결하기 위한 저온 고효율화 기술을 개발하고자 했다.

경량 유연 CIGS 박막 태양전지 대면적화 및 신뢰성 평가. 본 성과창출에 활용된 플렉시블 무기박막 태양전지 대면적화를 위한 R2R 증착 시스템(좌), 대면적 CIGS 박막 태양전지(중), 개발된 태양전지의 물리적 내구성 확보를 위한 굽힘 특성 평가(우) [사진=한국에너지기술연구원]

이러한 배경 하에 폴리머 기판 상에 3단계 동시진공증발공정을 기반으로 알칼리 도핑 최적화 기술 등을 통해 광흡수층 특성을 고도화해 고품질의 CIGS 박막 제조에 성공했으며, 유리기판 상에 코팅한 폴리머 기판을 기반으로 계면접합 및 단위박막 특성을 고도화해 태양전지 소자를 제조한 후 리프트-오프(lift-off) 하는 방식으로도 소자성능의 손실이 전혀 없이 고효율의 플렉시블 CIGS 박막 태양전지를 구현했다.

본 기술개발로 달성된 lift-off 기반 폴리머 기판 상 무기박막 태양전지 변환효율은 소면적(0.5㎠)에서 20.4%로 국내에서는 단연 독보적인 최고기록이며, 스위스 EMPA의 세계 최고기록(20.8%)에도 비견할 만한 우수한 결과다.

또한, 본 원천기술을 기반으로 25㎠ 기판 상에 대면적 셀을 제조해 16% 이상의 고효율을 달성했으며, R2R 공정기반 대면적화 연구 및 모듈화를 위한 봉지재 연구 등을 통해 내구성 및 신뢰성을 갖춘 양산화 기반 기술을 확보했으며, 해당기술은 차단계 연구개발을 통해 고도화할 예정이다.

건물용 BAPV(BIPV) 및 차량용 VIPV 등 활용도 무궁무진

세계 최고의 플렉서블 CIGS 박막 태양전지 제조 원천기술을 확보함으로써 태양전지 분야에서 심각하게 대두되고 있는 ‘차이나 리스크(China Risk)’를 극복하고 세계시장에서의 기술리더로 도약함으로써 대한민국의 연구위상 제고에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

유연성이 확보된 태양전지는 곡면이 많은 대상이라도 그 형태에 맞게 변형이 가능하므로, 향후 태양광발전 시장의 블루오션 분야인 건물용 BAPV(BIPV), 차량용 VIPV 또는 군사용, 노트북, 휴대폰 등 포터블 디바이스(Portable Devices)의 전원 등에 적극적으로 활용할 수 있으며, 타 박막 태양전지 분야 등에 적용 가능한 양산 기술 및 소재·장비 기술 확보를 통한 수출 산업화에 기여할 수 있다.

[이주야 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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