[인더스트리뉴스 김관모 기자] 한국전자통신연구원(이하 ETRI)은 기존의 어두운 색을 띠는 태양전지에 추가 공정이나 비용 없이 다양한 색상을 구현할 수 있는 ‘친환경 컬러 CIGS(구리(Cu)와 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)으로 이루어진 화합물) 박막 태양전지’ 개발에 성공했다고 밝혔다. 또한, 광펌핑 테라헤르츠 분광법을 이용해 효율 향상 메커니즘을 세계 최초로 설명할 수 있다고 전했다.

이번 연구결과는 세계 최고 수준의 에너지 분야 국제 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’와 ‘프로그레스 인 포토볼태익스(Progress in Photovoltaics)’에 각각 게재됐다.

친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지 활용 예상도 [사진=ETRI]

연구진, 아연을 활용해 유해중금속 문제 해결

CIGS 박막 태양전지는 태양광을 전기에너지로 변환시키는 데 사용되는 차세대 태양전지로 유리기판 등에 CIGS를 얇은 막으로 쌓아 올려 제작된다. 그동안 이 태양전지는 비실리콘 계열 태양전지 중에서 높은 광 흡수율을 가져 에너지 변환 효율이 가장 뛰어나고 안정성이 좋다는 장점이 있다. 또한, 실리콘 계열 태양전지에 비해 원자재 소비가 적으며 공정 비용과 재료비용도 저렴하다.

하지만 유해 중금속인 카드뮴을 함유한 소재를 완충층으로 사용하기 때문에 상용화가 어렵다는 단점이 있었다.

이에 ETRI 연구진은 황화카드뮴(CdS)의 대체재로 인체에 무해한 아연(Zn) 함유 소재를 이용해 약 18% 수준의 유사한 변환효율(태양 빛에서 전기 에너지로 전환되는 비율)을 내는 데 성공함으로써 이러한 한계는 일부 해소될 전망이다. 아울러 추가 공정이나 비용 없이 태양전지에 보라, 녹색, 청색 등 7가지 이상의 색깔을 구현해낼 수 있어 상용화에 한 걸음 더 다가섰다는 평가다.

연구진은 물 위에 떠 있는 기름띠가 무지개색으로 보이는 빛의 간섭 현상에 착안해 박막 구성층 두께를 조절함으로써 여러 색깔을 구현하는데 성공했다고 설명했다.

연구진에 따르면 이번에 개발한 박막 태양전지의 두께는 3㎛에 불과하며 유리기판 뿐만 아니라 유연기판에 코팅도 가능하다. 구부리거나 접을 수 있는 형태로 제작할 수 있어 건물 유리창에 부착하는 등 차세대 친환경 에너지원으로 쓰임새가 다양해질 전망이다.

CIGS 박막 태양전지에 적용된 무독성 아연 완충층 상세 구조도 [자료=ETRI]

광펌핑 테라헤르츠 분광법으로 태양전지 효율 향상 매커니즘 규명

또한, 연구진은 새로운 분석법으로 태양전지 효율 향상 메커니즘을 규명하는 데도 성공했다.

그동안 학계는 태양전지가 태양 빛에 장시간 노출될수록 변환효율이 증가하는 현상의 원인을 정확하게 규명하지 못한 상태였다. 이때 연구진이 광펌핑 테라헤르츠 분광법을 이용해 광펌핑 후 여기(원자나 분자가 외부로부터 에너지를 받아들여 더 높은 에너지 상태로 옮겨 가는 것)된 태양전지 내 전하의 움직임을 측정한 끝에 시간 상수를 도출해내면서 효율이 향상되는 직접적인 원리를 세계 최초로 설명하였다.

참고로 광펌핑(Optical Pumping)이란 원자나 이온에 빛을 조사하여 에너지가 낮은 상태에서 높은 상태로 들뜨게하는 조작 방식을 말한다. 또한 테라헤르츠 분광법이란 매우 높은 주파수의 테라헤르츠를 물질에 조사하여 물리화학적 특성을 측정하는 방법이다.

ETRI가 새로운 분석법을 개발하면서 친환경 고효율 태양전지 제작 기술력을 한층 더 높일 수 있는 가능성을 제시한 셈이다.

연구책임자인 정용덕 책임연구원은 “본 기술로 컬러가 구현된 고부가가치 태양전지 제품 생산과 차세대 응용 분야를 창출해 도시형 태양광 발전에 기여할 수 있을 것이다”고 말했다.

ETRI 연구진이 개발한 친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지 사진 [사진=ETRI]

연구진은 친환경 컬러 CIGS 박막 태양전지 제조 기술을 태양광 모듈이나 도심형 건축물 건자재 및 이동체나 휴대용 기기 등에 적용하기 위한 비즈니스 모델 개발 및 상용화 지원 절차를 진행할 계획이다. 또한 친환경 색상 구현기술을 유연기판에 적용해 가벼우면서도 심미성이 뛰어난 고효율 태양전지를 개발할 계획이다.

ETRI 강성원 ICT창의연구소장은“전력의 수요-공급이 불균형한 현대 사회에서 차세대 신재생 에너지원을 확보하는 일이 매우 중요해졌다. 미래사회를 대비하기 위한 박막 태양전지 기술 개발을 선도하고 친환경 미래 에너지원 확보에 기여할 것이다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부 ‘도심 분산전원용 고성능 플렉서블 무기박막 태양전지 원천기술 개발’ 과제 내의 ‘무독성 버퍼층을 갖는 다색 플렉서블 박막 태양전지 기술 개발’ 과제의 일환으로 수행됐다.

한편, ETRI 반도체·디스플레이 원천기술을 기반으로 KAIST, 연세대, 포스텍이 이번 연구에 도움을 주었다. 논문 1저자는 조대형 선임연구원과 이우정 선임연구원이며, 교신저자는 정용덕 책임연구원이다.

[김관모 기자 (news@industrynews.co.kr)]

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