자외선, 전기로 변환 가능 태양광 개발

■ 자외선, 전기로 변환 가능 태양광 개발

● GIST. 광기술원, 하이브리드 유연 박막 태양 전지 개발

 

광주과학기술원(GIST) 전기전자 컴퓨터공학부 장재형 교수와 한국광기술원 정호중 박사 공동 연구팀은 가시광선과 적외선 태양광만을 사용하던 기존 CIGS 유연 박막 태 양전지에 차세대 형광 물질인 페로브스카이트를 적용해서 자외선. 가시광선. 적외선 3가지 태양 광선을 모두 전기 에너지로 변환할 수 있는 하이브리드 유연 박막 태양 전지 기술 개발에 성공했다고 2019년 12월 30일 밝혔다.

 

기존 CIGS 박막 태양 전지는 비 실리콘 태양 전지 중에서도 에너지 변환 효율이 가장 높으며, 가볍고 유연한 특성을 갖고 있어 차세대 태양 전지로서 주목받고 있다. 기존 CIGS 박막 태양 전지는 구리(Cu)와 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 4원소로 구성된 화합물은 광흡수 계수가 실리콘에 비해 10배 이상 크고, 화학적으로 안정적이며, 내구성도 높다. 이를 광흡수층으로 사용하면, 태양 전지 제조시 적은 재료 소모와 간소화된 공정만으로도 높은 효율을 구현할 수 있다.

 

하지만, 기존 CIGS 유연 박막 태양 전지는 자외선 영역을 포함하는 짧은 파장 대역(300-390 나노미터)의 태양 광선이 태양 전지 상부의 투명 전극에서 흡수되어 해당 파장 대역의 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하지 못하는 한계가 있었다. 따라서, 짧은 파장 대역의 태양광을 효과적으로 활용할 수 있는 새로운 CIGS 유연 박막 태양 전지 기술 개발이 요구되어 왔다. 투명 전극은 평판 디스플레이, 터치 패널, 태양 전지 등의 전극 기판으로 널리 사용되고 있다.

 

연구팀은 자외선 영역의 빛을 흡수해 가시광 대역의 빛을 발광하는 나노 결정의 CsPbBr3 페로브스카이트 고효율 형광체 개발에 성공했으며, 이를 CIGS 태양 전지의 투명 전극층 위에 적용했다. 그 결과, 가시광선, 적외선 영역 뿐만 아니라 자외선 영역까지 포함하는 광대역 태양광을 전기 에너지로 변환할 수 있는 CIGS. 페로브스카이트 하이브리드 유연 박막 태양 전지를 개발했다. 차세대 형광 물질인 페로브스카이트는 금속과 할로겐족(불소. 염소. 브롬. 요오드)이 결합된 반도체 물질로, 자외선을 가시광선으로 변환하는 발광 특성을 갖고 있어 최근 LED, 디스플레이, 태양 전지의 광소재로 널리 사용되고 있다.

 

기존 CIGS 박막 태양 전지 상부에서 발생하는 자외선 대역의 손실을 해결했을 뿐 아니라 페로브스카이트의 두께를 조절하여 소자 표면에서의 반사를 최소화해서 효율을 극대화하도록 설계했다.

 

장재형 교수는 "이번에 개발된 고효율 유연 태양 전지는 건물 일체형 태양 전지, 전기 자동차, 드론과 같은 다양한 분야에 응용 가능할 것"이라며 "기존 파장 변환 형광체에 비해서 제작 공정이 간단하며, 가격 경쟁력과 광변환 효율이 우수한 페로브스카이트 응용 연구는 차세대 하이브리드 태양 전지 양산화에 큰 역할을 할 것으로 기대한다"고 말했다.

 

이번 연구는 산업통상자원부가 추진하는 한국에너지기술평가원 사업, 한국산업기술진흥원의 국제 공동 기술 개발 사업 및 한국전력의 전력 산업 기초 연구 연구 개발 사업 지원으로 수행됐다. 연구 논문은 최근 영국 왕립 학회가 발간하는 나노 기술 분야 대표 국제 학술지인 나노 스케일에 게재됐고, 표지 논문으로 선정됐다.