다채로운 색상의 고안정성 창호용 태양전지 개발 안정성, 심미성 확보를 통한 창호용 태양전지로의 응용 가능성 제시 허령 기자입력 2017-06-28 13:20:11

1차원 광결정 필름이 결합된 CIGS 박막 태양전지

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CIGS 박막 태양전지가 전도성 투명기판에 제조되었기 때문에 스크라이빙 기술을 통해 일정 부분 투광성 확보가 가능하다. 광결정 필름을 태양전지 외부에 결합한 경우 외부에서 파란색(오른쪽)으로 보이지만, 건물 내부에서 볼 때는 노란색(왼쪽)으로 보인다. 광결정 필름의 두께 조절을 통해 빨간색, 노란색 등 다양한 색상을 구현할 수 있다.

 

가까운 미래에 도시의 필요 전력을 충당하기 위한 가장 적합한 형태로 건물일체형 시스템(BIPV, Building Integrated Photovoltaic System)이 각광받고 있다. 매년 건물일체형 태양전지는 20% 이상 고성장세를 보이고 있고, 대부분을 결정질 실리콘 태양전지가 차지하고 있다. 하지만 대부분 단순한 응용수준에 그치고 있으며, 실리콘 태양전지가 불투명해 현대 건축물의 창호에는 적용하는 데 한계가 있었다. 해당 문제점을 해결하기 위해 최근 국내 연구진이 안정성과 심미성을 지닌, 창호용으로 사용 가능한 무기 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.
한국과학기술연구원 청청에너지연구센터 민병권 박사와 국민대학교 응용화학과 도영락 교수 공동연구팀은 프린팅 기반 저가형 코팅공정의 박막 태양전지 기술과 1차원 광결정 기술의 융합을 통해 다양한 색상의 창문으로 사용 가능한 박막 태양전지 기술을 개발했다고 밝혔다.
태양전지가 창호용으로 응용되기 위해서는 일정 부분 투광성을 가지고 있어야 하고, 다채로운 색상 구현을 통한 심미성 확보가 중요하다. 또한, 오랜 시간 유지될 수 있는 내구성 확보가 필수적인데, 지금까지 창호용으로 개발된 유기소재 기반의 태양전지들은 안정성 확보에 어려움이 있어 상용화 단계에 이르지 못했다.
공동연구팀은 이미 안정성이 검증된 CIGS 박막 태양전지를 투명 전도성 기판에 제조하고, 1차원 광결정 필름을 태양전지 안팎으로 양면 결합했다. 연구진은 1차원 광결정 필름의 구조제어를 통해 빛의 투과 또는 반사 효율을 세밀하게 조절함으로써, 색상의 선명도는 높이고 태양전지의 빛 흡수 손실은 최소화하는 기술을 개발했다. 따라서 이번 연구는 다채로운 색상 구현에 성공해 심미성을 높이고, 일정 투광성을 확보해 창호용 태양전지로 응용 가능한 새로운 태양전지 기술을 제시함에 의의가 있다.

 

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1차원 광결정 필름을 이용한 다양한 색상의 CIGS 박막 태양전지


연구진은 CIGS 박막 제조에 있어 기존의 진공 증착 방법이 아닌 저가의 용액 코팅법을 이용했다. 기존의 용액공정을 통한 CIGS 박막 태양전지는 기존 진공증착법 보다 낮은 효율을 보였으나, 본 연구진은 꾸준한 기술 개발을 통해 현재 효율이 15%에 이르는 세계 최고 수준의 고효율 단위 셀 기술을 보유하는 데 성공해 저비용으로 태양전지를 제조할 수 있는 토대를 마련했다.
KIST 민병권 박사는 “이번에 개발된 박막 태양전지 기술의 가장 큰 장점은 아름다운 색상을 띄면서도 고효율과 고내구성 및 투광성을 확보할 수 있다는 점”이라며 “향후 건물일체형 창호용 태양전지에 적용해 관련 산업 창출에도 기여할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
이번 연구는 산업통상자원부와 한국에너지기술평가원이 시행하는 에너지기술개발사업의 지원을 받아 수행 되었으며, 나노 및 에너지소재분야의 과학학술지인 ‘ACS Applied Materials & Interfaces(IF : 7.145)’에 5월 3일(수)자로 게재되었다.

 

★ 용어 설명 ★

 

※ 박막 태양 전지
-> 실리콘 웨이퍼 대신 값싼 유리나 금속기판 위에 반도체 박막을 증착해 셀과 모듈을 일관된 공정으로 제조하는 2세대 태양 전지 기술이다.
1세대의 태양 전지가 소재→잉곳→웨이퍼→셀→모듈의 순차적 공정으로 처리하는 것과 달리 TFT-LCD 박막 기술 발달로 셀과 모듈을 일관된 공정으로 처리해 기존 공정보다 저렴한 가격에 전지를 생산할 수 있다. 박막 태양 전지는 값싼 유리/금속 기판을 소재로 사용해 1세대 실리콘 태양 전지에 견주어 단가는 낮지만, 에너지 효율이 떨어지는 단점이 있다. 박막 태양 전지 종류는 쓰는 원료에 따라 비정질, 카드뮴 텔루르(CdTe), 셀렌화구리인듐갈륨(CIGS, Copper Indium Gallium Selenide), 염료 감응형 태양 전지(DSSC, Dye Sensitized Solar Cell) 등이 있다.

 

※ 실리콘 태양 전지
-> 집적 회로(IC, Integrated Circuit)를 만드는 얇은 규소판인 실리콘 웨이퍼를 사용해 태양 에너지를 직접 전기 에너지로 바꾸는 장치이다. 태양 전지는 일반적으로 소재에 따라 실리콘계와 화합물 반도체 태양 전지로 구성되며, 이는 다시 소재의 형태에 따라 기판형과 박막형으로 분류된다. 실리콘계 태양 전지는 화합물 반도체보다 효율은 낮지만 제조단가가 낮은 장점이 있어 태양광 발전용으로 주로 사용된다.

 

※ CIGS 박막 태양전지
-> 구리, 인듐, 갈륨, 황, 셀레늄으로 구성된 반도체 물질을 광흡수층으로 사용하는 박막 태양전지이다.

 

※ 1차원 광결정
-> 서로 다른 굴절율을 갖는 산화물 박막을 적층해 빛의 반사도 및 반사 파장 범위를 조절할 수 있는 필름이다.

 

※ 건물일체형 시스템(BIPV, Building Integrated Photovoltaic System)
-> 태양광 에너지로 전기를 생산해 소비자에게 공급하는 것 외에 건물 일체형 태양광 모듈을 건축물 외장재로 사용하는 태양광 발전 시스템이다.

 

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