대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 에너지환경연구부(융합전공 겸직) 김대환·성시준 책임연구원 연구팀이 앞뒤로 모두 빛을 받아 발전할 수 있는 ‘양면수광 태양전지 기술’을 개발했다고 1일 밝혔다.
연구팀은 구리(Cu), 인듐(In), 셀레늄(Se)으로 만든 ‘CuInSe2 박막 태양전지’를 투명한 전극 기판 위에 구현했고 이를 통해 양면 태양전지 기술에 적용했다. 이 기술은 낮은 온도에서도 제작이 가능해 생산 공정이 간단하다. 이 때문에 향후 건물형 태양광 발전, 농업용 태양광 발전, 고효율 탠덤 태양전지 등에 폭넓게 활용될 수 있다.
최근에는 태양광을 전면에서만 흡수하지 않고 양면에서 동시에 빛을 흡수해 같은 면적에서 더 많은 전기를 생산할 수 있는 양면수광 태양전지가 주목받고 있다. 이를 구현하려면 빛이 통과할 수 있는 투명한 전극 기판을 사용해야 한다. 하지만 내열성이 낮은 투명 전극 위에 박막 태양전지를 제작할 경우 우수한 특성을 얻기 어려웠다. 기존 박막 태양전지는 제작에 높은 온도를 요구하기 때문이다.
이에 연구팀은 420도 이하의 낮은 온도에서 작동하며 좁은 띄간격을 갖는 화합물 박막 태양전지 기술을 개발했다. CuInSe2 화합물을 형성하는 과정에서 은(Ag)을 함께 도입해 낮은 증착 온도에서도 고품질 화합물 증착이 가능하도록 했다. 또 CuInSe2 하부에 갈륨(Ga) 원소의 경사 구배를 유도해 전하 운반(캐리어 전달) 특성과 재결합 특성을 개선함으로써 소자 효율을 높였다. 이를 통해 투명 기판을 활용한 양면수광 CuInSe2 박막태양전지의 성능을 개선할 수 있었다.
그 결과 투명 기판을 사용한 좁은 띄간격 박막태양전지에서 전면 효율 15.3%, 후면 효율 8.44%라는 세계적 수준의 성과를 달성했다. 양면수광 성능도 높은 효율을 입증했다.
김대환 책임연구원은 “이번 연구는 투명 기판을 사용한 박막태양전지의 효율을 높일 수 있는 새로운 가능성을 제시했다”며 “투명 기판 기반 고효율 양면수광 태양전지 기술의 응용 범위를 더욱 넓혀 나가겠다”고 말했다.
한편 이번 연구는 에너지환경연구부(융합전공 겸직) 김대환·성시준 책임연구원이 교신저자, 융합전공 알리 아마나타(Ali Amanat) 박사과정생과 에너지환경연구부 전동환 전임연구원이 제1저자로 참여했다. 연구 결과는 재료 분야의 저명 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 지난 6월 17일 온라인판 표지논문으로 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr