키스트 민병권 연구팀이 2023년 1월 코팅용액을 발라서 만드는 박막태양전지 고효율 공정기술(CIGS태양전지)을 개발했다. 핵심인 코팅용액은 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄으로 되어 있고 이것이 박막태양전지의 소자용액이다.
민병권 연구팀은 이 얇은막 태양전지 원천기술을 기업에 이전해 주었다. 그리고 기업실무팀과 키스트 연구팀이 협업하고 있다.
필자 소개
안녕하세요. 환경운동하는 작가 에코eco입니다. 하나뿐인 소중한 지구를 어떻게 하면 더 푸르고 맑게 지속가능하게 하는지 관련 환경기술과 환경활동을 소개하고 있어요. 일상의 크고 작은 실천으로 여러분도 환경에 기여하고 있습니다.
이 블로그를 읽다 보면 지속가능한 지구가 이렇게 가능하구나를 알 수 있어요. 이번 글에서는 한국 키스트가 개발한 새로운 용액코팅 태양전지 원천기술을 소개합니다.
1. 키스트의 용액코팅 CIGS 박막 태양전지
태양전지(PV cell)는 태양에너지(태양광)를 전기에너지로 변환하는 장치이다. 광전지라고도 부른다. 이미 대면적 태양전지 기술에는 잉크코팅을 이용한 페로브르카이트/CISSe 탠덤 태양전지 등이 있다.
이보다 더 발전된 방법이 2023년 1월 나왔다. 키스트의 민병권 청정에너지 신기술 연구본부장 연구팀이 주도해서 인쇄기술 용액코팅법으로 새롭게 태양전지를 제작하는 방법을 고안해 냈다.
이로써 건물일체형 태양전지에 사용되는 CIGS 태양전지의 가격경쟁력을 확보했다. 결과적으로 이전보다 단가를 낮추고 생산성을 높였고 이미 국내 기업에 기술이전까지 마쳤다.
상용화가 되면 태양전지의 단가를 대폭 더 낮출 수 있다. 이번 연구성과는 국제학술지 어드밴스트 에너지 머티리얼(Advanced Energy Materials) 2023년 1월 4일 자에 실렸다.
키스트 민병권연구팀의 태양전지는 CIGS라는 4가지 원소가 필요하다. Cu구리, In인듐, Ga갈륨, Se셀레늄, 4원소의 영어 앞글자를 따서 CIGS 태양전지라고 부른다. 갈륨과 인듐은 고가의 희귀광물이며 광흡수율이 매우 뛰어나 얇은 박막으로도 충분히 높은 에너지 변환효율을 낸다.
용액코팅이라는 기술은 이미 존재하는데 민병권 연구팀은 구성원소를 다르게 했다. 이 기술은 건물일체형 태양전지에 적용하려면 가격경쟁력과 양산성을 모두 충족시켜야 한다.
건물일체형 태양전지는 태양관 전지판을 건축재로 사용하는 전력발전 시스템이다. 기존에는 진공공정 방법이었다. 민 본부장팀은 기존 방식 대신에 태양전지 태양전지 소자를 용액으로 제작한 뒤 코팅하는 ‘용액코팅법’을 활용해 설비에 드는 비용을 절감했다.
광흡수층 두께를 기존 대비 5분의 1 수준으로 얇게 제작해서 원료사용량을 줄여 양산성 문제를 해결했다. 또한 태양전지의 효율을 개선하는데 핵심적인 요소인 비정질 이산화티타늄의 충돌을 활용해서 계면을 제어하는 기술을 개발했다.
그 결과 기존 부도체 산화물을 이용하던 방법보다 나노구조 패턴(patterning) 없이도 전하를 원활하게 전달하면서도 전기적 결함을 제거하게 되었다. 민 본부장팀이 개발한 CIGS 태양전지의 ‘용액코팅법’의 원천기술은 10년간 연구를 지속해 온 결과물이다.
기존에는 판이 돌아가며 용액을 코팅하는 스핀방식이었다. 새로 개발한 용액코팅법은 페인트칠하듯 바르는 코팅법이다. 이러한 용액코팅법은 대면적에 훨씬 유리한 방식이라 큰 면적에 적용이 쉽고 단위셀 효율을 16% 이상 달성했다.
이 기술은 태양전지 전문인 국내 중소기업이 이전받았다. 키스트와 전문기업이 함께 미래의 태야전지 시장을 개척하기 위해 공동연구도 진행 중이다.
민 본부장은 용액코팅법을 이용한 인쇄 태양전지 기술은 아직 상용화가 안되어 매우 도전적인 분야라고 한다. 키스트 실험실 수준에서는 이미 세계 최고기술을 확보했다. 그래서 가까운 미래에 시장의 판도를 뒤집을 새로운 태양전지를 내놓을 수 있다고 전망한다.
이 연구는 과학정보통신부, 농림축산식품부와 재단법인 스마트팜연구개발사업단의 지원을 받아 진행되었다.
2. 이전의 태양전지 기술
이전의 태양전지 연구성과로는 2020년 9월 키스트의 손해정 박사팀이 액체코팅을 개발해 약한 태양빛에도 효율적으로 전기를 생산하는 유기태양전지의 핵심원리를 제안했다.
유기태양전지는 신재생 에너지의 하나이고 플라스틱 등의 유기물을 이용해서 태양빛을 전기로 전환한다. 건물벽면이나 옥상의 외장재, 창문 등에 프린팅 하는 방법으로 제작이 가능하다.
태양전지를 만들기 위해 전지의 원료용액을 인쇄공정으로 페이트처럼 칠해서(코팅) 고체화하는 속도를 제어한다. 당시 실험실 수준에서 최고의 고효율 용액공정 유기태양전지의 대 면적화에 성공했으나 여전히 변환효율과 안전성 면에서 개선이 필요하다.
또한 2022년 4월 한국에너지기술연구원 태양광 연구단도 대기환경에서 간편하게 용액을 발라 코팅하는 방법인 페로브스카이트/ CISSe 탠덤 태양전지 핵심 기술을 개발했다. CISSe에서 C는 구리, I는 인듐, S는 황, Se는 셀레늄이다.
탠덤 태양전지(Tandem PV Cell)는 태양빛의 이용률을 높이는 방법으로 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대(=밴드 갭)를 쌓는 기술이다. 서로 다른 셀을 상하 직렬(tandem)로 겹친다.
태양전지의 상부에 단파장 빛흡수에 적합한 페로브스카이트(perovskite)라는 화합물을 결합해 발전효율을 높인다. 물질마다 빛을 받아들이는 태양광 파장이 다르고 흡수 가능한 에너지가 많아진다. 더 싸고 가볍고 광흡수율이 높은 페로브스카이트는 실리콘의 대체재이다.
이 기술은 공기 중의 산소를 활용한 태양전지 효율 향상법이다. 당시에 고효율에 성능도 좋고 저비용 공정까지 달성했다. 이렇게 이전의 연구성과들이 축적되고 밑거름이 되어 2023년 키스트의 용액코팅 태양전지 기술이 나왔다.
(참조 기계신문, 에너지신문, 한국과학기술연구원, thesciencetimes)
2023년 1월 키스트 연구팀이 액체를 페인트 칠하듯 발라 태양전지를 제작하는 기술공정(CIGS태양전지)을 개발했다. 핵심은 코팅액으로 쓰는 태양전지 소자용액이다. 키스트 민병권 연구팀은 국내기업에 이미 기술을 이전했다.
