더 가볍고 잘 휘어지는 태양전지, 세계 최고 효율 달성까지 [지금은 과학]

[아이뉴스24 정종오 기자] 더 가볍고 잘 휘어지는 태양전지가 세계 최고 효율을 달성했다. 연구팀이 개발한 태양전지는 매우 가볍고 곡선 형태에도 부착될 수 있어 앞으로 자동차는 물론 건물, 항공기 등에 적용할 수 있을 것으로 보인다.

한국에너지기술연구원(원장 이창근)이 초경량 유연 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지를 제작하고 세계 최고 효율을 달성하는 데 성공했다.

태양광 발전에는 실리콘 기반의 단일 접합 태양전지를 주로 사용한다. 생산 단가가 싸고 대량 생산에 유리하기 때문이다. 전력 생산 효율의 한계가 명확해 실리콘 태양전지에 페로브스카이트 태양전지를 접합하고 효율을 높인 탠덤 태양전지가 주목받고 있다.

페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지는 34.6%의 높은 효율을 자랑한다. 무게가 무겁고 물리적 충격에 약해 경량성과 적용성이 중요한 자동차, 항공기, 인공위성 등 분야에는 활용에 제한이 있다.

이를 극복하기 위해 유연 박막 페로브스카이트·CIGS 탠덤 태양전지가 개발되고 있다. CIGS 기반 박막 태양전지는 매우 가볍고 휘어지는 특성을 가져 곡선 형태의 건물, 자동차, 항공기 등에 활용될 수 있다.

문제는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지에 비해 효율이 낮고 제작이 어려워 상용화 단계에 접어들지 못했다.

에너지연 연구팀은 유연 탠덤 태양전지 제작 공정의 작업성과 전지의 유연성, 경량성을 높이기 위해 ‘리프트오프(Lift-off)’ 공정을 개발하고 태양전지의 성능 향상 원인을 규명했다.

이를 통해 제작된 페로브스카이트·CIGS 탠덤 태양전지는 23.64%의 전력 생산 효율을 나타내 세계 최고 수준을 달성했다.

연구팀이 개발한 리프트오프 공정은 유리 기판 위에 폴리이미드층을 코팅하고 그 위에 페로브스카이트·CIGS 탠덤 태양전지를 제작한 뒤 분리하는 방식이다.

유연성이 좋은 폴리이미드 필름 자체를 기판으로 활용하던 기존 공정과 달리, 딱딱한 유리를 지지기판으로 활용하기 때문에 이전보다 안정적으로 전지를 제작할 수 있다.

평평한 유리 기판을 사용함으로써 태양전지의 각 층이 균일하게 증착돼 성능과 제작 재현성이 높아진 것도 장점이다.

연구팀은 전지의 결함을 줄여 성능을 향상시키는 방법도 규명했다. 전지 제작 과정 중 칼륨 등의 알칼리 금속 원소는 유리기판에서 CIGS 광흡수층으로 확산된다. 이때 칼륨이 과하게 확산되면 광흡수층 내에 전하의 흐름을 방해하는 결함을 발생시켜 전지의 성능이 저하될 수 있다. 지금까지 칼륨의 확산을 적절하게 억제하는 기술은 보고되지 않았다.

연구팀은 계산과학을 통해 유리기판 위에 코팅된 폴리이미드층이 칼륨의 확산을 억제할 수 있음을 예측하고 전지에 적용해 CIGS 광흡수층의 결함을 최소화하는데 성공했다. 이를 통해 제작된 태양전지는 23.64%의 전력 생산 효율을 나타냈다. 기존 유연 페로브스카이트·CIGS 탠덤 태양전지의 최고 효율인 18.1%를 크게 웃돌았다.

이외에도 연구팀은 제작된 CIGS 태양전지의 내구성을 검증하기 위해 소재의 기계적 성질을 측정하고, 시뮬레이션을 통해 구부러졌을 때 가해지는 힘을 분석했다.

십만 번의 구부림 테스트를 진행한 결과, 연구팀이 제작한 태양전지는 초기 효율의 97.7%를 유지해 우수한 내구성을 나타냈다.

연구를 주도한 정인영 선임연구원은 “이번 연구는 유연성과 경량성을 갖춘 고효율 차세대 태양전지 기술의 상용화 가능성을 증명한 핵심 성과”라며 “앞으로 효율 30%급 초경량 유연 태양전지 실현을 위한 중요한 이정표”라고 말했다.

교신저자인 김기환 책임연구원은 “제작된 전지의 무게당 출력비는 페로브스카이트·실리콘 탠덤 태양전지보다 약 10배가량 높아 초경량 모듈이 필요한 건물 외장재, 차량, 우주 항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 기대된다”며 “대면적화 공정 개발과 안정성 향상 연구를 추진해 관련 산업의 경쟁력 강화와 신·재생에너지 보급 확대에 크게 이바지할 수 있을 것”이라고 말했다.

이번 연구(논문명: Flexible and lightweight perovskite/Cu(In,Ga)Se2 tandem solar cells)는 에너지와 재료 분야 국제 학술지 ‘줄(Joule)’ 3월호에 실렸다.