[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

투명 태양전지는 도심형 빌딩의 유리, 자동차 창문 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있어 많은 주목을 받고 있는 차세대 에너지 전환 소자이다. 현재 투명 태양전지는 염료 감응형 태양전지, 유기 태양전지, 그리고 페로브스카이트 태양전지를 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다. 

그러나 현재 개발 중인 투명 태양전지들은 낮은 광전변환 효율1) 및 낮은 안정성, 무색 반투명 구현의 어려움 등으로 한계에 직면하고 있다. 최근에는 가시광2) 영역 파장의 빛은 모두 투과시키고, 적외선 (NIR) 영역의 빛만을 이용하여 전기를 생산하는 유리와 같은 무색·투명 태양전지도 개발되었지만 이 또한 2% 미만의 매우 낮은 광전변환 효율을 보여 아직 많은 연구가 필요한 실정이다. 따라서 상용화가 가능한 수준의 투명 태양전지 개발을 위해서는 지금까지 생각하지 못했던 새로운 접근 방식이 필요하다.

2. 연구내용  

높은 광전변환 효율과 안정성을 지니며 색을 보이지 않는 신개념 투명 태양전지 개발을 위한 한 가지 방법으로 결정질 실리콘 기반 투명 태양전지 개발을 고려할 수 있다. 결정질 실리콘 태양전지는 다른 태양전지들에 비해 높은 광전변환 효율과 안정성을 지니고 있고, 재료 또한 풍부하여 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 차지하고 있다. 하지만 광활성층인 결정질 실리콘 기판의 불투명한 성질로 인하여 이를 이용한 투명 태양전지 개발에는 어려움이 존재한다.

본 연구에서는, 마이크로 사이즈의 광투과 영역이 도입된 무색·투명 결정질 실리콘 기판을 제작하고, 이를 이용하여 무색의 투명 결정질 실리콘 태양전지를 제작하였다. 이를 위해 먼저 가시광 영역 파장이 모두 투과 가능한 광투과 영역을 설계하고, 사람의 최소 분리 시력3)을 고려하여 광투과 영역이 사람의 눈으로는 식별되지 않도록 하였다.  

최소 분리 시력은 떨어져 있는 두 점이나 선을 두개로 인식할 수 있는 능력을 의미한다. 사람의 눈으로 서로 다른 물체를 인식하기 위해서는 한 개의 시세포를 사이에 둔 서로 다른 두 개의 시세포가 자극이 되어야 하는데, 두 물체와 사람의 눈이 이루는 각도가 1/60도 이하가 될 경우 망막에 맺히는 상이 시세포 3개보다 작아지게 되어 사람의 눈으로는 두 물체를 구별할 수 없게 된다.

연구진은 이러한 원리를 이용하여 모바일 디바이스를 볼 때 최적의 거리인 30 cm에서도 마이크로 구조가 안 보이도록 마이크로 구조 간격을 설계하여 유리와 같이 완벽한 투명 결정질 실리콘 기판을 개발할 수 있었다. 더불어, 광투과 영역을 제외한 광흡수 영역은 기존 결정질 실리콘 태양전지제작 시 가장 최적화된 두께로 알려져 있는 200 um 정도의 두께를 사용함으로써 300-1100 nm 파장 영역을 효과적으로 흡수할 수 있도록 설계하였다. 더불어, 광투과 영역의 크기 및 간격을 조절하여 체계적인 광투과율 조절도 가능하였다.

연구팀이 개발한 무색·투명 결정질 실리콘 기판을 이용하여 제작된 투명 결정질 실리콘 태양전지는, 20%의 투과도에서는 12%가 넘는 매우 높은 광전변환 효율을 보였으며, 50%의 투과도에서도 7%가 넘는 광전변환 효율을 보였다. 이는 현재까지 개발된 다양한 종류의 투명 태양전지들과 비교해 보아도 월등하게 높은 광전변환 효율이다. 더불어, 기존 상용 결정질 실리콘 태양전지와 구조가 매우 유사하여 기존 상용 결정질 실리콘 태양전지와 유사한 높은 안정성을 보일 것으로 예상된다.

3. 기대효과  

투명 태양전지는 건물일체형 태양광발전 시스템 (BIPV)4) 및 차량용 태양광 (VIPV) 등 다양한 분야에 적용이 가능하기 때문에 매우 매력적인 친환경 에너지 변환 소자이지만, 아직까지는 낮은 광전변환 효율, 검증되지 않은 안정성 및 색상 이슈로 인해 아직 연구 초기 단계라는 인식이 지배적이었다. 하지만 본 연구를 통해 결정질 실리콘을 기반으로 고효율 투명 태양전지가 개발됨에 따라 투명 태양전지의 상용화가 매우 빨라질 것으로 기대된다. 더불어, 본 연구를 통해 개발된 결정질 실리콘 기반 투명 기판은 태양전지 뿐 아니라, 다양한 결정질 실리콘 기반 전자소자에 응용이 가능할 것으로 예상되어 본 연구의 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 광전변환 효율

입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기 에너지의 비율로 빛을 전기로 전환하는 비율을 의미한다.

2. 가시광

태양 광선중 인간의 눈으로 검지할 수 있는 파장 영역을 말하며, 400-700 nm를 가시광 영역이라고 한다. 실리콘 태양전지의 경우 주로 가시광선 영역대를 흡수해 태양광을 전기에너지로 전환한다. 가시광선영역이 투과되어야만 육안에 물체가 투명하게 보인다. 

3. 최소 분리 시력

떨어져 있는 두 점이나 선을 두개로 인식할 수 있는 능력을 의미하며, 인간의 경우두 물체의 간격과 인간의 눈이 이루는 각도가 1Arcmin (1분 = 1/60도)일 때가 최소 분리 시력이다.

4. 건물일체형 태양광발전 시스템

건물 일체형 태양광 발전 시스템 (Building Integrated Photovoltaics; BIPV)은 태양전지를 건축 자재화하여 건물의 외벽재, 지붕재, 창호재 등으로 활용하기 때문에 별도의 설치 공간이 필요하지 않고 환경 친화적이며, 에너지 효율적인 건축물을 구현할 수 있는 시스템을 의미한다.

[붙임] 그림설명

그림1. (왼쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼, (오른쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼 중간 부분에 제작된 무색·투명 결정질 실리콘 기판.

그림2. (왼쪽) 200µm 두께의 무색·투명 결정질 실리콘 기판, (오른쪽 위) 투명 결정질 실리콘 기판의 모형도, (오른쪽 아래) 무색·투명 결정질 실리콘 기판을 이용하여 제작된 투명 태양전지의 전류밀도-전압 특성 그래프

그림3. (왼쪽) 다양한 광투과율 (광투과율 20%-50%)의 무색·투명 결정질 실리콘 기판, (중간) 무색·투명 결정질 실리콘 기판의 광투과율, (오른쪽) 무색·투명 결정질 실리콘 기판의 CIE 1931 색좌표. 색좌표의 중간에 위치할수록 중성색 (무색)을 의미한다.