DGIST, 양면 박막 태양전지 발전성능 극대화…탠덤 구조로 출력 높였다

[대구=이데일리 홍석천 기자] 대구경북과학기술원(DGIST)이 태양전지 앞뒷면으로 들어오는 빛을 모두 활용해 발전량을 높이는 양면 박막 태양전지 기술을 개발했다. 여기에 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 태양전지를 결합한 탠덤 구조를 적용해 최고 수준의 양면 발전밀도도 구현했다.

DGIST는 에너지환경연구부 황대규·김대환 연구팀이 양면형 CIGS(구리·인듐·갈륨·셀레늄) 박막 태양전지의 발전 성능을 높이고 이를 페로브스카이트 태양전지와 결합한 4단자 양면 탠덤 태양전지를 개발했다고 29일 밝혔다.

최근 AI 데이터센터 확산 등으로 전력 수요가 빠르게 늘면서 제한된 면적에서 더 많은 전력을 생산할 수 있는 고효율 태양광 기술의 중요성이 커지고 있다.

특히 태양전지 전면에 직접 들어오는 햇빛뿐 아니라 지면이나 주변에서 반사돼 후면으로 들어오는 빛까지 전력 생산에 활용하는 양면 태양전지는 같은 설치 면적에서 발전량을 높일 수 있다는 점에서 주목받고 있다.

여기에 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 종류 이상의 태양전지를 결합하는 탠덤 기술을 적용하면 태양광 이용 범위를 넓혀 발전 성능을 한층 높일 수 있다.

연구팀은 이 같은 구조의 하부 전지로 활용할 수 있는 양면형 CIGS 박막 태양전지의 성능 개선에 집중했다.

CIGS는 얇은 두께로도 빛을 효과적으로 흡수할 수 있어 박막 태양전지 소재로 활용되고 있다. 하지만 양면 발전을 위해 투명 후면전극을 적용하면 전극과 광흡수층 사이에 불필요한 산화물이 형성돼 전하 이동을 방해하고 발전 효율을 떨어뜨리는 문제가 있었다.

연구팀은 투명 후면전극 두께를 200나노미터(㎚)로 정밀하게 조절하고 은(Ag) 합금화 공정 등을 선택적으로 적용해 산화물 층 형성을 억제했다. 이를 통해 전하 수집 효율을 높이고 전면과 후면의 빛을 함께 활용하는 양면 발전 성능을 끌어올렸다.

그 결과 최적화한 양면형 CIGS 태양전지는 실제 반사광 환경을 모사한 조건에서 19.05mW/㎠의 양면 발전밀도를 기록했다. 양면 발전밀도는 태양전지 앞뒷면에서 동시에 들어오는 빛을 이용해 단위 면적당 생산하는 전력을 의미한다.

왼쪽부터 황대규 책임연구원, 김대환 책임연구원, 손대호 선임전임연구원, Amanat Ali 석박통합과정생.(사진=DGIST)

연구팀은 여기서 한 단계 더 나아갔다. CIGS 태양전지 위에 짧은 파장의 빛을 효과적으로 흡수하는 페로브스카이트 태양전지를 결합해 태양광을 보다 폭넓게 활용할 수 있는 4단자형 페로브스카이트-CIGS 양면 박막 탠덤 태양전지를 구현했다.

상부의 페로브스카이트 전지가 짧은 파장 영역의 빛을 활용하고 하부 CIGS 전지가 나머지 빛과 후면에서 들어오는 반사광을 활용하는 방식이다.

이를 통해 연구팀은 28.42mW/㎠의 양면 발전밀도를 달성했다. DGIST는 이번 성과가 4단자형 페로브스카이트-CIGS 양면 박막 탠덤 태양전지의 기술적 실현 가능성을 높였다는 데 의미가 있다고 설명했다.

4단자 탠덤 구조는 상부와 하부 태양전지가 각각 독립적으로 작동한다는 것도 장점이다. 일사량이나 빛이 들어오는 각도, 지면 반사광 등 설치 환경이 달라져도 각 전지가 독립적으로 발전할 수 있어 실제 발전 환경에 유연하게 대응할 수 있다.

황대규 DGIST 책임연구원은 “개발된 4단자 탠덤 태양전지는 상·하부 셀이 독립적으로 작동해 다양한 빛 입사 및 반사 조건에 유연하게 대응할 수 있어 상용화에 매우 유리하다”고 말했다.

김대환 책임연구원은 “향후 계면 및 광학 구조를 정밀하게 최적화해 한층 더 높은 출력을 달성하겠다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원(KIAT) 등의 지원을 받아 수행됐다. 융합전공 아마낫 알리 석박사통합과정생이 제1저자로 참여했으며 연구 결과는 에너지 분야 국제학술지 ‘Carbon Energy’에 게재됐다.