월간전기



[신기술]투광성 지닌 태양광 셀

2020-10-01

투광성 지닌 태양광 셀 친환경에너지도 생산하고 도시도 아름답게 지난 8월 24일부터 9월 14일까지, 서울시가 건축물을 신축하거나 소유하고 있는 시민을 대상으로 차세대 태양전지인 ‘건물 일체형 태양광’(BIPV, Building Integrated Photovoltaics)의 보조금 신청접수를 받았다. 선정될 경우 설치비의 최대 80%까지 지원받을 수 있으며, 총 지원규모는 30억 원이다. 서울시는 태양광 분야 신기술 개발을 유도하고, 건축 디자인 개선 방안 등을 연구하기 위해 이번 지원 사업을 마련했다고 밝혔다. BIPV는 태양광 발전설비를 설치하기 위한 공간을 절약할 수 있다는 점에서 대도시 등의 차세대 발전 기술로 주목 받고 있다. 특히, 창호에 설치할 수 있는 투명한 태양광 셀의 개발이 경쟁적으로 이루어지고 있다. (메인 사진: 투명한 태양광 셀의 BIPV 응용 사례. ①, ② 서울시 종로구‘94빌딩’(박막형·창호), ③ 스위스 노바티스 캠퍼스(박막형·지붕), ④ 스위스테크 컨벤션센터(염료감응형·커튼월) 글 강창대 기자 자료 한국전력공사, 한국에너지기술연구원 투명하고 유연한 CIGS 박막 태양전지 지난 8월 30일 한국에너지기술연구원(이하 에너지연)은 세계 최초로 유연성과 투광성을 동시에 가지는 양면 수광형 CIGS 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.1) CIGS 박막 태양전지는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이루어진 Cu(In,Ga)Se₂ 화합물을 유리나 플라스틱 기판에 증착해 광흡수층으로 사용하는 태양전지다. 이 태양전지는 실리콘 등 여타의 광흡수층 물질보다 광흡수계수가 커 매우 얇은 박막만으로도 높은 변환효율을 보이는 특성이 있다. CIGS 박막 태양전지는 상용 결정질 태양전지에 비해 적은 소재 사용과 간소한 공정만으로 고효율 태양전지를 제조할 수 있는 장점이 있다. 또한 다른 유기계 차세대 태양전지와 달리 화학적으로 매우 안정적이고 내구성도 높다. 그러나 최근 결정질 실리콘 태양광 모듈의 가격 하락으로 인해 CIGS 박막 태양전지의 기술개발 방향이 건축물 일체형 또는 부착형 태양광(BIPV, BAPV)으로 대표되는 도심형 다기능 친환경 에너지원 시장으로 바뀌고 있다. 이에 따라, 최근 딱딱하고 무거운 유리 기판을 이용하는 전통적인 CIGS 박막 태양전지가 아닌, 초경량 유연 기판을 적용해 효율은 유지하면서도 응용성을 극대화하는 연구와 함께 상대적 효율은 조금 낮추더라도 투광성을 갖도록 설계해 기능을 추가하는 연구개발이 세계적 추세라고 한다. 이러한 가운데, 에너지연 태양광연구단은 두께가 극히 얇은 유연한 유리 기판을 적용해, 유연성과 투광성을 동시에 가지면서도 기존의 두꺼운 유리기판 상에 제조된 투광형 태양전지와 견주어도 효율 및 성능특성이 우수한 양면수광형 박막 태양전지 구현에 성공한 것이다. 기존의 비투광형 태양전지는 단방향에서만 광흡수가 가능하거나, 태양빛을 태양전지 전·후면에서 동시에 흡수하여 전기를 생산하는 양면수광 구조를 구현하기 위해 후면 광흡수층 형성을 위한 별도의 공정이 필수적이었다. 연구단은 이번에 개발한 유연 반투명 CIGS 박막 태양전지기술이 투광성에 기반하여 양방향 수광이 가능함에 주목하여, 투광성 확보를 위해 발생이 불가피한 광흡수에 의한 출력 손실을 추가 제조공정 없이 후면수광으로 보완할 수 있다는 점을 학인했다. 이러한 연구개발 성과는 국내에서 유일하게 신뢰성 있는 차세대 태양전지 성능·효율 측정 및 평가 인프라를 보유한 에너지연 태양광연구단에서 알베도(albedo) 모사에 의한 변환효율 측정을 통해 검증되었다고 한다. 알베도는 물체의 표면이 태양빛을 받았을 때 반사하는 정도를 나타내는 용어로서 0에서 1 사이의 단위가 없는 값을 가지며, 단일 입사각에 대한 반사율과 달리 모든 태양각에 대한 반사율을 의미한다. 태양빛은 지면에서 반사되거나 대기 중 산란되어 태양광 모듈 후면으로도 입사될 수 있다. 따라서 양면수광형 태양광 모듈의 경우 지면유형 등에 따른 알베도에 의해 단면수광형 대비 발전량이 증가한다고 알려져 있다. 해당 연구논문의 교신저자인 박주형 책임연구원은 “기존의 3단계 증착방법 대신 더 간소화된 단일공정 증착방법을 이용하면서도 알칼리 원소 도핑 공정 적용을 통해 수백 나노스케일의 극히 얇은 두께에서도 높은 품질을 가지는 CIGS 광흡수층 막을 만들어 에너지 생산능력뿐만 아니라 유연성과 투광성이 가미된 다기능 태양전지를 개발했다”고 설명했다. 에너지연은 태양광 소재·부품·장비 분야의 산학연 협력을 이끌고 있는 중심기관으로서 보유한 기술과 인프라를 활용해 태양광 전 가치사슬영역에 걸쳐 대응해 오면서 고부가가치를 지닌 ‘도시형 태양광 차세대 태양전지 원천기술 개발’에 주력하고 있다. 이번 연구도 에너지연 주요사업 ‘다기능 차세대 박막 태양전지 핵심 요소기술 개발’및 과학기술정보통신부 기후변화대응기술개발사업 ‘도심 분산전원용 고성능 플렉서블 무기박막 태양전지 원천기술 개발’의 일환으로 수행되었다. 과제 책임자인 에너지연 태양광연구단 윤재호 단장은 “한국형 그린뉴딜 정책에 부응하는 이번 성과는 여러 가지 기능을 융합한 다재다능한 적용성을 가진 CIGS 박막 태양전지의 개념을 구체화시킨 계기로 평가되며, 이번에 확보한 유연 반투명 CIGS 박막 태양전지의 핵심소재 및 공정에 대한 원천 기술로 신규 고부가가치 태양전지 제품 생산과 차세대 응용 분야 창출에 기여할 수 있을 것으로 기대한다.”고 밝혔다. (좌측 위부터 시계방향으로) 유연성과 투광성을 가지는 다기능 CIGS계 박막 태양전지 적층구조, 이미지 및 단면, 양면수광시 광량에 따른 에너지변환효율 곡선유리기판내 알칼리이온 유무에 따른 계면 부산물 형성 차이를 보여주는 단일단계 동시증발법으로 증착된 CIGS 박막 하부계면 분석 20층 빌딩에 적용한다면 200 ㎾ 이상 규모, 연간 CO₂210톤 저감 한편, 한국전력은 지난 8월 26일 한전 전력연구원(대전광역시 소재)에서 유니테스트㈜와 유리창호형 태양전지 사업화를 위한 기술협력 양해각서(MOU)를 체결했다. 이날 서명식에는 김숙철 한전 전력연구원장과 김종현 유니테스트㈜ 대표이사 등 관계자 20여 명이 참석했다. 유니테스트㈜는 2000년에 설립된 반도체 검사장비 제작 전문 기업으로, 2016년부터 차세대 태양전지를 생산하는 연구를 수행하고 있다. 유리창호형 태양전지는 반투명하고 가벼워 건물 벽면, 유리창 등 건물 외장에 부착이 가능한 태양전지로, 태양광을 설치할 땅이 부족하고 고층건물이 많은 국내에 적합한 친환경 발전기술로 평가되고 있다. 이 태양전지를 20층 빌딩에 설치할 경우 200 ㎾급 이상의 규모로 연간 210톤의 이산화탄소 저감효과가 있을 것으로 추정된다. 유리창호형 태양전지는 소재의 특성을 반영해 일명 페로브스카이트(perovskite) 태양전지라고도 한다. 유리창호형 태양전지는 1,000 ℃ 이상의 고온 생산공정이 필요한 실리콘 태양전지와 달리 200 ℃이하의 공정을 사용해 생산비용이 낮고, 빛을 전기로 전환하는 광전변환효율이 실리콘 태양전지와 비슷해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. 한전은 이번 MOU를 통해 태양전지 면적을 넓히는 기술을 보유한 유니테스트㈜와 함께 유리창호형 태양전지 사업화를 위한 연구를 수행할 예정이라고 밝혔다. 유리창호형 태양전지 사업화를 위해서는 최소한 10 ㎝×10㎝ 이상 크기의 모듈 제작이 필요한 상황이지만, 현재 한전은 2.5 ㎝×2..5 ㎝ 면적 보유기술만 갖고 있는 것으로 전해진다. 한전은 2.5 ㎝×2..5 ㎝ 면적에서 세계 최고효율을 가지고 있고, 유니테스트㈜는 상용화 가능한 대면적 크기(200~800 ㎠) 제작이 가능하다. 이번 상호협력을 통해 800 ㎠ 이상의 면적에서도 높은 효율을 가지는 태양전지를 개발하는 것이 목표다. 한전 측은 “향후 사업화에 성공하면 유리창호형 태양전지의 설치가 쉽고 공간 제약이 크지 않은 장점을 활용하여 창고, 공장, 주차장지붕이나 자동차 선루프 등에도 적용할 계획”이라고 밝혔다. 한전 전력연구원에서 개발한 유리창호형(페로브스카이트) 태양전지페로브스카이트(perovskite, 출처: Wikimedia Commons) 실리콘 태양전지보다 효율 2배, 원가는 1/8 절감 가능 한전 전력연구원이 유리창호형 태양전지의 개발 착수를 발표한 것은 2017년 3월이다. 유리창호형 태양전지는 그 재료의 특성 때문에 페로브스카이트 태양전지라고도 일컫지만, 위에 설명한 바와 같이 건물을 구성하는 재료로도 활용되기 때문에 건물 일체형 태양전지로도 불린다. BIPV는 전기를 생산하는 PV 모듈의 기능에건물 외장재 기능을 추가한 태양광 발전 시스템으로, 창호나 벽면, 발코니 등 건물 외관에 태양광 발전 모듈을장착하여 자체적으로 전기를 생산하고 건축물에 바로 활용할 수 있다는 장점이 있다. BIPV의 재료인 페로브스카이트는 기존의 실리콘을 적용한 태양전지보다 에너지변환효율이 2배 이상 높고, 패널 원가를 최대 1/8까지 절감할 수 있어 새로운 태양전지 소재로서 주목받고 있다. 현재 실리콘 태양전지는 건물 지붕이나 외벽 등 설치 공간에 제약이 있고, 색 구현이 불가능하여 사업에 제한이 있었으나, 유리창호형 태양전지가 상용화될 경우, 빌딩이나 유리온실 등 설치가 가능한 공간을 확대할 수 있을 뿐만 아니라, 투과성이나 색상을 맞춤 제작할 수 있어 자동차에 적용하는 등 응용범위가 무궁무진할 것으로 기대를 모으고 있다. 전력연구원은 유리창호형 태양전지의 개발 착수 발표 당시, BIPV용 반투명 고효율 페로브스카이트 태양전지의 설계와 제작 원천기술을 확보한 후, 확보된 기술을 이용하여 팹리스(fabless, 무설비업체) 방식의 사업화를 추진하겠다고 발표한 바 있다. <참고>----------- 1) 에너지연의 연구결과는 물리화학분야 국제 학술지 <어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈>(Advanced Functional Materials)에 ‘속표지논문’(inside front cover)로 선정됐다(온라인에는 2020년 7월 6일, 오프라인은 2020년 9월 3일 게재) < Energy News >