고효율 CISe 태양전지 제조 공정 기술 개발 값싸고 간단하게 제조한 비정질 나노입자로 고효율의 태양전지 제조 기술 허령 기자입력 2017-07-19 08:54:21

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Green Chemistry 표지(좌) 및 논문 게재 내용(우)

 

한국에너지기술연구원 안세진·곽지혜 연구팀의 비정질 나노입자를 이용한 고효율 카파인디움 다이셀레나이드(이하 CISe) 태양전지 제조 기술이 화학·환경 분야 권위지인 ‘그린 케미스트리(Green Chemistry)’의 표지 논문으로 선정됐다.
CISe계 박막 태양전지는 높은 효율, 우수한 안정성과 플렉서블 태양전지 제조의 용이성 등으로 인해 매우 유망한 차세대 태양전지로 조명받고 있다. CISe 태양전지는 전통적으로 고가의 진공증착 장비를 활용해 제조됐다. 최근에는 이를 저가의 용액 공정으로 대체해 가격 경쟁력을 극대화하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
기존의 저가 용액 공정 중 우수한 태양전지 효율을 보고한 Cu, In 등이 포함된 나노입자를 합성한 후, 이를 소결해 CISe계 박막을 제조하는 나노입자 기반 공정이 있으나, 일반적으로 사용되는 나노입자 제조 공정인 고온 주입법(Hot Injection Method)은 고품질의 나노입자를 만들 수 있는 장점이 있는 반면, 공정이 복잡하고 대량생산이 어렵고 비용이 많이 든다는 단점이 있다.
연구팀은 이를 극복하고 가격 경쟁력 극대화를 추구하기 위해 매우 쉽고 싸게 제조할 수 있으나 품질이 낮아 잘 활용되지 않았던 비정질 나노입자를 활용해 고효율의 CISe 태양전지를 제조하는 데 성공했다.
나노입자 기반 CISe계 박막 제조 시 가장 큰 문제점은 고밀도 광흡수층 박막 획득이 어렵다는 점이었다. 연구팀은 이러한 어려움을 극복하기 위해 비정질 나노입자 사이의 공극을 금속 이온으로 채워 전체 공정의 원자 경제성(Atom Economy)을 향상시키는 방식으로 고밀도 박막 제조에 성공했다. 이를 통해 얻은 CISe 태양전지 효율은 11%로, 용액 공정으로 제조한 동일 물질계에서는 세계적인 수준에 해당한다.
연구 논문의 제1 저자인 한국에너지기술연구원 안세진 박사는 “이번에 개발된 기술은 용액 공정 기술이 궁극적으로 지향하는 간단하고 대량생산이 가능하면서도 고효율 박막 태양전지를 제조할 수 있는 원천기술”이라며 “특히 전 세계적으로 아무도 주목하지 않았던 저품질의 비정질 입자로도 고효율 태양전지 제조가 가능함을 보인데 의의가 있다”고 밝혔다.
또한, 연구책임자 곽지혜 박사는 “현재 연구진은 CISe 태양전지 효율을 논문에 발표된 11%에서 13% 수준으로 향상시키는데 성공했으며, 이는 용액공정으로 제조된 CISe 태양전지의 세계 최고 기록이다”라고 전했다.
이번 연구는 에너지연의 주요사업인 ‘도시형 프로슈머타입 저가·고효율 차세대태양전지 기술개발(연구책임자 : 곽지혜)’의 일환으로 진행됐다. 한국에너지기술연구원은 이번 연구에 포함된 기술과 관련한 10여 건의 국내외 특허를 확보하고 있으며, 핵심 특허는 2016년 중국 특허 등록을 비롯해 국내 및 미국 특허 등록을 완료했다.

 

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전구체 제조 공정에 따른 태양전지 효율 변화

 

★ 용어 설명 ★

 

※ 태양전지
-> 태양에너지를 전기에너지로 바꾸기 위해 제작된 광(光)전지이다. 크게 ‘태양열 전지’와 ‘태양광 전지’로 나뉜다. 태양전지를 만드는 방식은 크게 ‘결정형’과 ‘박막형’의 두 가지로 나뉜다. 현재 대부분의 기업이 쓰는 방식은 결정형이다. 원재료인 폴리실리콘을 얇게 자른 웨이퍼 위에 회로를 그리는 방식이다. 결정형은 현존하는 태양전지 제조방식 가운데 광변환효율이 가장 좋다는 장점이 있지만 폴리실리콘 등 원재룟값이 비싸고 설치장소가 제한적이란 단점도 있다.
결정형의 단점을 보완하기 위해 등장한 게 박막형이다. 박막형의 기본 제조원리는 유리 플라스틱 등 주변에서 흔히 볼 수 있는 판 위에 태양 빛을 전기로 바꾸는 특성이 있는 특수화합물질을 얇게 바르는 것이다. 결정형에 비해 광변환 효율이 떨어지는 단점이 있지만 폴리실리콘을 사용하지 않아도 돼 원가가 싸고 건물 유리창 등에 설치할 수 있다는 장점도 있다.

 

※ 나노입자(Nanoparticle)
->미국 국립과학재단의 나노기술에 대한 정의에 의하면 나노기술이 다루는 대상의 크기는 최소한 1~100㎚가 되어야 한다. 또한, 나노 크기의 물리, 화학적 성질을 근본적으로 제어할 수 있는 과정을 통해 만들 수 있어야 하고 더 큰 구조물로 합쳐져야 한다. 이 정의에 따르면 크기만 생각했을 때 원자의 개수가 수 개 또는 수백 개의 복합체, DNA, 단백질 등도 나노에 속한다. 이러한 나노기술의 대상이 되는 입자가 나노입자이다. 다시 말해, 천만분의 1m(100㎚=100.0×10-9m) 이하인 입자이다. 분자나 원자를 조작하여 새로운 소재, 구조, 기계, 기구, 소자를 제작하고 그 구조를 연구하는 나노기술의 영역에 속하는 입자이다.

 

※ 진공증착
-> IC와 LSI용 웨이퍼 표면에 알루미늄 피막을 붙이는 것을 증찰이라 하고, 진공 중에서 증착하는 것을 진공 증착이라 한다.
진공증착은 일렉트로닉스 분야에서뿐만 아니라 플라스틱 필름에 알루미늄 피막을 붙인 포장재료와 장식재료 등, 폭넓은 분야에서 이용되고 있으며 이러한 재료의 증착에 필요한 진공도는 10-4 토리첼리 정도이다. 그러나 진공도가 낮으면 표면에 산화막 등이 생겨서 증착 정밀도가 떨어지기 때문에 IC의 전극이 될만한 두께 1미크론의 알루미늄 피막을 만들기 위해서는 더욱 고진공이 필요하다.

 

 

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