에너지연, 가볍고 효율높은 '폴리머 기판 유연 CIGS 박막 태양전지' 개발

에너지 분야 국제 학술지인 '나노 에너지'에 연구결과 게재

결정질 실리콘 태양전지에 비해 적은 소재 사용과 간소한 공정만으로 고효율 태양전지를 제조할 수 있는 'CIGS 박막 태양전지'는 화학적으로 매우 안정적이고 내구성도 높아 주목을 받고 있다.

최근에는 결정질 실리콘 태양광 모듈의 가격의 하락으로 'CIGS 박막 태양전지'의 기술 개발 방향에도 변화가 일면서 건축물 일체형 태양광(BIPV)으로 대표되는 도심형 친환경에너지원 시장으로 바뀌고 있다.

이에 따라 연구방향은 딱딱하고 무거운 유리(glass) 기판을 이용하는 전통적인 CIGS 박막 태양전지에서 초경량 유연 기판을 적용해 효율, 유지하면서도 응용성을 극대화하는 연구로 변화하는 추세다.

폴리머 기판을 적용한 초경량 유연 CIGS계 박막 태양전지 이미지 및 변환효율 곡선./자료제공=한국에너지기술연구원

하지만 기존 CIGS 박막태양전지 제조 기술에 비해 높은 기술 진입장벽을 갖고 있어 일본과 유럽 중심의 소수의 연구그룹만이 기술을 보유하거나 개발을 시도하고 있는 상황이다.

이런 가운데 한국에너지기술연구원 태양광연구실이 폴리머 (Polyimide) 기판을 적용해 매우 가벼우면서도 유연한 고효율 CIGS 박막 태양전지를 개발하고 적용된 기술의 효과를 규명하는데 성공해 관심을 모으고 있다.

20일 이 연구원에 따르면 'CIGS 박막 태양전지'는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄 4원소로 이루어진 Cu(In,Ga)Se2 화합물을 유리나 플라스틱 기판에 증착해 광흡수층으로 사용하는 차세대 태양전지다.

실리콘, GaAs, CdTe 등 여타의 광흡수층 물질보다 광흡수계수가 커 1-2 μm 두께의 매우 얇은 박막만으로도 높은 변환효율을 보이는 것이 장점이다.


연구진은 저온 성막 기술을 새로 도입해 증착 온도를 낮추면서도 효율은 20.4%를 유지하는 결과를 얻었다. 이 같은 효율은 스위스가 보유한 현존 최고치인 20.8%과 비슷한 수준이다.

연구진은 태양전지의 효율을 높이기 위해 필요한 알칼리 원소(나트륨, 칼륨)를 폴리머에 주입하는 외부 알칼리 주입 기술을 접목, 효율 극대화를 이뤄냈다.

특히 최첨단 분석법을 이용해 나노스케일 수준에서 CIGS 소재의 특성과 함께 외부 알칼리 주입의 효율 향상 메커니즘까지 규명할 수 있었다.

이 연구원의 김기환 책임연구원은 "이번 성과는 초경량 유연 CIGS 박막태양전지의 고효율화를 위한 표준 공정을 확립한 계기로 평가된다" 며 "향후 개발된 기술을 바탕으로 대면적 고속 CIGS 박막 태양전지 제조 기술, 초경량 유연 박막 태양전지 관련 소재·부품·장비 기술 고도화, 건물 외벽 및 지붕재에 설치 가능한 초경량 유연 고성능 박막 태양광 모듈 제조 기술 등의 추가 연구를 진행할 계획"이라고 말했다.

한편, 이번 연구 결과를 세계 최고 수준의 에너지 분야 국제 학술지인 '나노 에너지' 1월호에 게재됐다.