서울대 등, 박막 탠덤 태양전지 광발전성능 신기록 달성

- NREL 차트 공식 등재 쾌거…차세대 태양광 기술 주도권 확보 기대

세계최고효율 페로브스카이트/CIGS 탠덤태양전지. (그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 김진영 교수)

세계최고효율 페로브스카이트/CIGS (좌) 탠덤태양전지의 도식도 및 (우) 투과전자현미경 단면 사진 (그림설명 및 그림제공 : 서울대학교 김진영 교수)

국내 연구진이 페로브스카이트/CIGS(copper indium gallium selenide, 구리 인듐 갈륨 셀레늄) 탠덤 태양전지 분야에서 광발전성능(빛을 전기로 바꾸는 효율) 신기록을 달성하며 한국의 독보적인 기술력을 입증했다. 

페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 서로 다른 광에너지를 흡수할 수 있는 두 종류의 얇은(박막) 태양전지를 2층으로 겹쳐 만든 태양전지로, 기존 단일 태양전지보다 훨씬 더 많은 전기를 만들 수 있어 차세대 태양전지로 주목받고 있다.

한국연구재단(이사장 홍원화)은 서울대학교 재료공학부 김진영 교수팀과 한국과학기술연구원(이하 KIST) 차세대태양전지연구센터 정증현 박사팀이 차세대 태양전지로 주목받는 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지의 에너지 손실을 줄일 수 있는 기술을 개발, 이 분야에서 26.3%의 광발전성능 신기록을 달성했다고 7월 10일 밝혔다. 

2050년 탄소중립 목표를 위해 태양광 발전은 필수적이지만, 우리나라는 인구밀도가 높고 국토 면적이 협소해 대규모 태양광 발전소를 위한 부지 확보에 큰 어려움을 겪고 있다.

이러한 상황에서 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지는 가볍고 잘 휘어지는 특성 덕분에 건물 외벽이나 창문, 자동차 지붕, 방음벽 등 다양한 곳에 스티커처럼 쉽게 붙일 수 있어 국토의 효율적 이용을 극대화할 훌륭한 대안으로 꼽히고 있다. 

공동연구팀은 만들기 쉽고 비용이 저렴한 페로브스카이트 태양전지와 더 넓은 영역의 빛을 흡수하는 CIGS 태양전지를 결합하는 방법을 고안, 실리콘 기반 탠덤 태양전지와 대등한 수준의 고효율을 박막 형태로 구현할 수 있는 기술을 개발해 냈다.

먼저, 서울대 연구팀은 거친 표면의 CIGS 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 안정적으로 쌓아 올릴 수 있도록 특수 소재와 공정을 개발, 이를 통해 두 태양전지가 빈틈없이 완벽하게 붙어 최고의 성능을 낼 수 있도록 만들었다.

KIST 연구팀은 두 태양전지를 연결하는 부분에서 에너지 손실이 거의 없도록 다리 역할을 하는 연결층을 최적화해 태양전지가 제 성능을 100% 발휘할 수 있도록 지원했다. 이를 통해 26.3%의 광발전성능 신기록을 달성했으며, 이는 이전 독일 연구소의 최고 기록(24.6%)을 1.7%나 뛰어넘는 쾌거이기도 하다. 

이번 기록은 세계적인 태양전지 연구기관인 미국 국립재생에너지연구소(NREL)의 공식 효율 차트(NREL chart)에 올 4월에 처음으로 등재됐다. 

정증현 박사는 “최고 수준의 효율을 달성하면서도, 기존 실리콘 기반 고효율 기술로는 적용이 어려웠던 건물, 자동차, 우주 항공 등 다양한 분야에 적용할 수 있는 박막 탠덤 기술의 잠재력을 증명했다”라고 평가했다.

김진영 교수는 “이번 NREL 차트 등재를 계기로 페로브스카이트/CIGS 박막 탠덤 태양전지 기술의 주도권을 한국이 확보하고, 다소 더디게 성장해 온 해당 분야의 기술 개발을 더욱 가속화하는 전환점이 될 것”이라고 기대했다. 

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 단계도약형 탄소중립기술개발사업 및 기후변화대응 기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

[Ceramic Korea (세라믹뉴스)=이광호 ]