 현실로 성큼 다가온 투명하고 유연한 태양전지 고효율 CIGS 양면투광 태양전지와 폴더블 PSCperovskite solar cell
태양광 발전은 각국 정부의 재생에너지 보급 확대를 위한 지속적인 연구개발 지원을 통해 효율과 내구성 등의 성능향상을 이루었다. 그러나 탄소제로 사회 구현을 위해서는 태양광 보급을 획기적으로 확대할 수 있는 태양전지 기술을 필요로 한다. 투명 태양전지는 전기 생산과 가시광 빛 투과를 함께 구현할 수 있어 건물 외벽과 창호, 도시구조물, 모빌리티 등에 활용될 것으로 기대를 모으고 있다. 이번 편에서는 한국에너지기술연구원에서 개발한 고효율 CIGS 양면투광 태양전지와 함께 한국연구재단이 발표한 접을 수 있는 페로브스카이트 태양전지를 소개한다.
글 강창대 기자 자료 한국에너지기술연구원, 한국연구재단
태양광 분야에 적용할 수 있는 미래형 에너지하베스팅(energy harvesting) 태양전지 기술이 개발됐다. 이 기술은 한국에너지기술연구원 태양광연구단 연구팀에 의해 개발된 것으로, 전기생산과 함께 태양빛의 일부를 투과시켜 시각적인 투광성도 동시에 확보할 수 있는 고효율 CIGS 양면투광 태양전지의 핵심기술이다. 연구팀이 개발한 기술은 가시광 투과도 10% 이상에서 발전효율이 단면 10%와 양면 15% 이상의 성능을 보였다고 한다.1) 한국에너지기술연구원 태양광연구단이 개발한 CIGS 양면 투광 태양전지 샘플
성능은 높이고 제작 단가는 낮춘 기술
에너지하베스팅은 태양광, 바람, 물, 진동, 온도 등의 자연에너지 또는 일상생활에서 버려지는 에너지를 수확(harvesting) 또는 채집 사용(scavenge)해 전기에너지로 재생산하는 기술을 말한다. CIGS 박막 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이루어진 무기화합물(Cu(In,Ga)Se2)을 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로 실리콘 태양전지 이후 상용화가 활발한 미래기술 가운데 하나로 꼽힌다.
현재 상용화가 일부 진행되고 있는 투명 태양전지는 기존에 개발된 태양전지의 일부를 긁어내거나 구멍을 뚫는 방식으로 제작된다. 이 때문에 낮은 성능, 높은 생산단가 그리고 투명한 부분과 불투명한 부분이 균일하지 않아 시각적인 불편함을 주는 단점이 있다. 또한, 유기나 유무기 화합물 광흡수층을 이용한 투명 태양전지는 장시간의 빛조사나 높은 온습도 환경에서 단시간에 성능이 크게 감소하는 단점을 보여주고 있다.
이러한 문제를 해결하기 위해 태양광연구단 조준식 책임연구원(교신저자)은 빛조사나 온습도 내구성이 우수한 무기소재인 CIGS 광흡수층 양쪽면에 기존 몰리브데늄(Mo) 금속전극과 달리 빛가림이 없는 인듐주석 산화물(Sn-doped indium oxide; ITO) 투명전극을 사용했다.
또한 광흡수층의 두께를 입사된 가시광의 일부를 투과시킬 수 있는 0.3 ㎛ 이하로 정밀 제어해 자체적인 투과가 가능한 양면발전형 투명 태양전지 기술을 개발했다.
이 기술은 기존 CIGS 태양전지 제조에 사용한 복잡한 3단계 동시증발공정 대신 단순하고 재현성이 우수한 단일단계 동시증발공정을 사용해 증착시간은 절반수준으로 줄이고 광흡수층 두께는 기존 2 ㎛에서 0.3 ㎛이하로 줄여 기존 공정보다 소재 사용량과 공정시간을 10분의 1수준으로 획기적으로 절감한 것이라고 한다.
이와 함께 가시광이 투과될 수 있는 얇은 광흡수층과 양면 투명전극을 이용한 소자 구조로 자연스러운 투광성을 확보해 기존 기술대비 생산수율을 높이고 제조비용도 크게 낮출 수 있는 장점이 있다.
또한 이 기술을 통해 증착시간을 짧게 하고 공정온도도 기존 650℃에서 550℃ 이하로 낮게 함으로써 기존 CIGS 광흡수층과 투명전극사이의 불필요한 화학반응으로 인한 전기 저항층 생성을 억제해 효율성능을 크게 향상시킬 수 있었다고 한다.
효율의 비결은 ‘저반사 광산란층’ 얇은 광흡수층 사용으로 발생할 수 있는 효율 저하는 나노 표면구조를 갖는 저반사 광산란층을 적용하고 태양전지 양쪽 면에서 빛을 동시에 흡수할 수 있는 소자 구조를 갖춰 광이용율을 향상시켰다. 저반사 광산란층은 [㎛] 크기의 거친 표면을 갖고 있다. 투명 태양전지 전면에 부착된 저반사 광산란층은 입사광을 산란시킴으로써 반사를 최소화하고 광흡수층에 빛이 최대한 흡수되도록 한다. 이를 위해 연구팀은 폴리다이메틸실록산(Polydimethylsiloxane, PDMS)이라고 일컫는 고분자 위에 나노임프린팅 기술을 이용했다. 이 기술은 반도체 공정에서 사용하는 전통적인 리소그래피 방식과 달리 낮은 가격으로 고분자 표면에 직접적인 기계적 변형을 가해 나노구조 패턴을 형성하는 방법이다.
이렇게 제조된 투명 태양전지는 양면 투광 구조를 갖고 있기 때문에 전면과 후면에서 입사되는 빛을 모두 전기 생산에 사용할 수 있고, 기존 단면 구조 태양전지에 비해 20%이상 향상된 성능을 보였다.
 [그림 1] PDMS(polydimethylsiloxane) 저반사 광산란층 나노 임프린팅 기술로 형성된 표면 나노구조를 통해 입사광 표면반사를 줄이고 광 산란을 향상시켜주는 고분자 층이다
만 번을 접었다 펴도 성능은 그대로
또 다른 투명 태양전지 개발 사례가 있다. 한국연구재단은 2월 15일 전일 교수(부산대학교)와 이필립 박사(한국과학기술연구원, KIST) 연구진이 한일공동연구를 통해 탄소나노튜브-폴리이미드로 구성된 투명전도성필름을 개발하고 이를 적용한 접을 수 있는 태양전지를 개발했다고 밝혔다.2)
휴대용 디바이스의 기술흐름은 스마트폰을 넘어 다양한 스마트 디바이스로 확장 되고 있다. 제4차 산업혁명이라 일컫는 변화에 따라 일상의 수많은 사물을 네트워크에 연결하는 사물인터넷(InternetOf-Things, IoT)이 일반화되고 있다. 이 기술은 폴더블스마트폰과 롤러블 디스플레이처럼 다양한 폼 팩터(form factor)를 갖는 디바이스 기술의 수요를 불러일으키고 있다. 이에 따라, 기술 수요에 대응하는 에너지 기술수요 또한 증대되고 있다.
페로브스카이트 태양전지는 ‘유무기 혼합 페로브스카이트 소재’를 광 흡수체로 사용하는 태양전지다. 최근 광전변환효율이 25.2%에 도달해 상용화된 실리콘 태양전지의 수준에 도달하고 있다. 페로브스카이트 태양전지는 유연화가 가능하다는 또 다른 장점이 있다. 이러한 점은 휴대용 전력원으로 활용될 수 있는 잠재성을 갖는다. 한편, 유연 태양전지의 하부 투명 전극으로 사용되던 인듐주석산화물(indium tin oxide, ITO)은 소재 자체의 취성(깨지는 성질)으로 인해 디바이스의 유연성이 제한적이다. 이에 대안적 투명전극 연구가 이루어져 왔으나 유연성을 충족하면서 고효율 페로브스카이트 태양전지에 호환되는 투명전극을 찾는 것이 숙제였다.
 [그림 2] 광이용율 향상 기술 PDMS 저반사 광산란층 적용으로 CIGS 투명 태양전지 효율은 9%에서 10.5%로 향상됐다.
삼산화 몰리브데늄으로 도핑효과 제고
전일 교수와 이필립 박사 연구진은 단일벽 탄소 나노튜브(single-walled carbon nanotube, SWNT)가 박혀있는 형태의 폴리이미드(polyimide, PI)로 구성된 투명 전도체(SWNT-PI) 필름을 개발해 접을 수 있는 페로브스카이트 태양전지를 구현했다. 연구진이 개발한 SWNTPI는 제곱평균제곱근(root-mean-square, RMS) 거칠기 0.456 ㎚ 정도의 매우 부드러운 표면을 갖는다.
기존의 방법대로 외부로 노출된 SWNT 위에 디바이스를 제작하는 경우 거친 SWNT 표면 때문에 디바이스의 구성층을 균일하게 형성하는 것이 어려웠다. 연구진은 열처리 과정에서 삼산화 몰리브데늄(MoO3)을 이용해 SWNT의 전기적 특성을 조절(도핑)했다. 기존의 유연기판 (PET, PEN)으로는 낮은 열 내구성으로 인해 도핑효과가 제한적이었으나, PI 필름이 SWNT와 삼산화 몰리브데늄을 덮고 있어 추가적인 작업 없이 SWNT가 대기의 산소로부터 차단되었고, PI의 높은 열적 내구성 덕분에 300℃에서 SWNT의 전기 전도도를 효과적으로 향상시킬 수 있었다.
그 결과 15.2%의 광전변화효율을 갖는 폴더블 페로브스카이트 태양전지가 구현됐다. 이는 발표된 탄소 나노튜브 기반 유연 태양전지 중 최고 수준의 효율에 해당한다고 연구진은 밝혔다. 또한, 7 ㎛ 두께의 SWNT-PI 복합체 필름의 뛰어난 기계적 특성은 만 회에 걸쳐 접어도 성능에 변화가 없었다고 한다.3)
연구진은 개발한 기술이 접거나(foldable) 말 수 있는(rollable) 등 다양한 폼 팩터를 갖는 휴대용 스마트 디바이스의 에너지원으로 적용됨으로써 사물인터넷 기술의 발전을 한 단계 앞당길 수 있을 것이란 기대를 내비쳤다. 또한, 이 기술은 유연 태양전지뿐만 아니라 다양한 종류의 포토디텍터, 박막 트랜지스터, 발광 다이오드를 비롯한 다양한 박막 전자소자에 적용될 경우 가볍고 유연한 디바이스에도 적용될 수 있다고 한다. [그림 3] 탄소나노튜브-폴리이미드 투명 전도성 복합체 제작 및 표면 거칠기 특성 탄소 나노튜브 필름은 엉킨 머리카락과 같은 형태여서 빈 공간이 생겨 RMS 표면 거칠기가 7.040 ㎚에 이른다. 이 점은 탄소 나노튜브 위에 박막 태양전지를 형성하기 어려운 조건으로 작용했다. 연구진은 탄소 나노튜브의 빈틈을 폴리이미드로 채우고, 이를 경화시켜 탄소 나노튜브-폴리이미드 복합체를 제작했다. (자료: 부산대학교 전일 교수)
 [그림 4] 폴더블 페로브스카이트 태양전지의 유연성 탄소 나노튜브-폴리이미드 복합체 필름을 기반으로 구현된 페로브스카이트 태양전지는 접음 조건(굽힘 곡률 반경: 0.5 ㎜)에서 만 회의 반복 사이클 이후에도 처음과 동일한 성능을 유지할 수 있었다. 디바이스의 높은 유연성은 전도성 복합체의 기계적 유연성에서 기인하기 때문에 이 기술은 폴더블 에너지원으로써의 잠재성을 보여주었다. (자료: 부산대학교 전일 교수)
용어설명
1. CIGS 박막 태양전지 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이루어진 Cu(In,Ga)Se2 무기화합물을 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지로 실리콘 태양전지 이후 가장 앞선 상용화가 이루어지고 있는 미래 기술. 2. 나노임프린팅 반도체 공정에서 사용하는 전통적인 리소그래피 방식과 달리 낮은 가격으로 고분자 표면에 직접적인 기계적 변형을 통하여 나노구조 패턴을 형성하는 방법. 3. 페로브스카이트 태양전지 유·무기 혼합 페로브스카이트 결정구조를 광 흡수층으로 활용하는 박막형 태양전지. 4. 탄소나노튜브 육각형의 탄소원자 격자로 구성된 그래핀이수나노미터의 원통 형태로 말려있는 나노재료. 우수한 물리적 특성으로 활용성이 높다. 5. 폴리이미드 이미드 고리를 가지는 고분자 재료, 화학적 안정성, 유연성, 내열성, 내화학성을 지닌다. 전자 디바이스에 널리 활용 된다.
1) 이번 연구는 한국에너지기술연구원의 주요사업인 ‘에너지 전환 3020/4035 실현을 위한 재생에너지 혁신기술 개발’과제의 일환으로 수행됐으며, 《나노에너지》(Nano Energy) 2021년 4월자에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘Semitransparent and bifacial ultrathin Cu(In,Ga)Se2 solar cells via a single-stage process and light-management strategy’이다. 2) 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 지원하는 선도연구센터사업, 기후변화대응기술개발사업 및 글로벌프론티어사업의 지원으로 수행된 이 연구의 결과는 국제학술지 《어드밴스드 사이언스》 (Advanced Science) 2월 8일자에 게재됐다. 논문의 제목은 ‘Foldable Perovskite Solar Cells Using Carbon Nanotube-Embedded Ultrathin Polyimide Conductor’이다. 3) 이때, 필름 을 때 구부리는 지점에 형성되는 곡률의 반경 즉 ‘굽힘 반경은 0.5 ㎜임
<Energy News>
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