국내 연구진이 자외선 태양광을 전기에너지로 변환할 수 있는 하이브리드 유연박막태양전지 기술을 개발했다. 그동안 CIGS 박막태양전지는 자외선 태양광이 태양전지 상부의 투명전극에 흡수돼, 해당 파장대역의 태양에너지를 전기에너지로 변환하지 못하는 문제가 있었다.

이번에 개발된 기술은 자외선 영역도 전기에너지로 변환할 수 있어 전기자동차 등 다양한 분야에 응용할 수 있을 것으로 보인다.

광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 장재형 교수와 한국광기술원 정호중 박사 공동 연구팀은 자외선·가시광·적외선 태양광을 모두 전기에너지로 변환할 수 있는 하이브리드 유연박막태양전지 기술 개발에 성공했다고 30일 발표했다.

CIGS 박막태양전지는 비 실리콘 태양전지 중 에너지 변환효율이 가장 높으며 가볍고 유연해 차세대 태양전지로 주목받고 있다. CIGS 박막태양전지는 화학적으로 안정적이며 내구성이 높았다. 이를 광 흡수층으로 사용하면 태양전지 제조 시 적은 재료 소모와 간소화된 공정 만으로도 높은 효율을 구현할 수 있다.

다만 기존 CIGS 유연박막태양전지는 자외선 영역을 포함하는 파장대역(300~390nm) 태양광이 태양전지 상부 투명전극에 흡수되는 문제가 있었다. 이로 인해 해당 파장대역 태양에너지를 전기에너지로 변환하지 못했다.

연구진은 문제를 해결하기 위해 자외선 영역의 빛을 흡수해 가시광대역 빛을 발광하는 페로브스카이트 고효율 형광체를 개발했다. 페로브스카이트는 금속과 할로겐족(불소, 염소, 브롬, 요오드)이 결합된 반도체 물질이다. 자외선을 가시광으로 변환하는 발광특성을 갖고 있다.

연구진은 페로브스카이트를 CIGS 태양전지 투명전극 층 위에 적용했다. 그 결과 자외선까지 포함하는 광대역 태양광을 전기에너지로 변환하는 ‘CIGS-페로브스카이트 하이브리드 유연박막태양전지’ 개발에 성공했다.

연구진은 기존 CIGS 박막태양전지 상부에서 발생하는 자외선 대역의 손실을 해결했으며, 페로브스카이트 두께를 조절해 소자 표면에서 반사를 최소화시켜 효율을 극대화했다.

GIST 정재형 교수는 “이번에 개발된 고효율 유연 태양전지는 일체형 태양전지, 전기자동차, 드론 등 다양한 분야에 응용될 것”이라고 말했다.

◆페로브스카이트 활용해 휴대 가능한 ‘태양전지’ 나오나

국내 연구진은 페로브스카이트를 태양전지에 접목시켜 더 낮은 비용으로 기판을 더 유연하게 만들기 위해 노력하고 있다. 연구진들의 노력으로 페로브스카이트 태양전지의 광전효율이 높아지고 있는데다 접을 수 있을 정도의 유연성까지 갖출 경우, 휴대 가능한 태양전지 실용화가 더욱 앞당겨질 것으로 보인다.

페로브스카이트 태양전지는 1000도 이상의 고온 생산공정이 필요한 실리콘 태양전지와 달리 400도 이하의 공정을 통한 생산이 가능하다. 또한 쉽게 설치가 가능해 향후 휴대용 전자기기에도 부착 가능할 것으로 기대를 모으고 있다.

지난 6월 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 김주영·송명훈 교수 공동연구팀도 접을 수 있을 정도로 유연한 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 연구팀이 개발한 태양전지는 각 소재들의 물리적 특성을 분석하고 유연성을 극대화할 수 있는 설계방식을 구현해 1.0mm 곡률 반경에서 1000번을 접어도 성능이 유지된다.

이밖에 한국전력공사 전력연구원도 지난 10월 평판형 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 한전 전력연구원은 지금까지 발표된 페로브스카이트 평판형 태양전지의 광전변환효율은 20.1%지만, 한전이 개발한 태양전지는 그보다 높은 20.4%를 기록했다.