[붙임] 연구결과 개요, 용어설명, 그림설명

[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. 그 중, 결정질 실리콘 기반 투명 태양전지는 높은 안정성과 효율성, 그리고 유리와 같은 우수한 미관을 제공할 수 있어 투명 태양전지의 상용화에 가장 적합한 태양전지로 여겨지고 있다. 그러나 결정질 실리콘 투명 태양전지 단일 소자의 출력 전압이 약 0.6~0.7 V로, 일반 전자기기를 충전하는 데 필요한 최소 전압 5 V를 충족하지 못하는 문제점이 있다. 따라서, 투명 태양전지의 실 사용을 위해서는 모듈화 공정을 통한 전압 및 전류 향상이 반드시 필요하다. 그러나, 기존 태양전지 모듈화 방법은 상호 연결을 위한 소자 간 물리적 간격 및 불투명한 금속 와이어를 필요로 하여 본질적으로 투명 태양전지 모듈의 미관을 손상시킨다. 즉, 기존의 모듈화 방법은 투명 태양전지에는 적합하지 않다. 따라서 불투명한 태양전지와는 달리 심미적 요소까지 고려해야하는 투명 태양전지의 모듈 개발을 위해서는 지금까지 생각하지 못했던 새로운 모듈화 방식이 필요하다.

2. 연구내용

본 연구팀은 태양전지의 모든 전극이 후면에 존재하는 후면전극형 (all-back-contact, ABC) 구조를 투명 태양전지를 위한 구조로 새롭게 설계 및 최적화하고, 이를 바탕으로 후면전극형 구조 기반 투명 태양전지 및 모듈을 최초로 개발하였다. 이를 통해 후면 전극형 구조는 ‘연결 부위가 보이지 않는 모듈화 (seamless modularization)’ 와 ‘고효율화’ 두 가지 관점에서 투명 태양전지 연구에 획기적인 진전을 이루었다. 연구팀은 후면전극형 투명 태양전지의 구조적 특성과 광투과 영역 간 간격을 고려한 연결 전극 설계를 통해, 금속 와이어를 사용하지 않고, 연결 부위가 보이지 않는 모듈화 (seamless modularization) 방법을 개발하였다. 이는 기존 태양전지 모듈화 방법에 의해 발생될 수 있는 근본적 미관 손상 한계 (예를 들면, 태양전지 간 간격, 연결 전극의 불투명함)를 돌파한 획기적인 연구이다. 최종적으로, 모듈 전체에서 불투명한 부분 및 이질적인 부분이 없이 단일 소자와 유사한 형태를 보이는 16 cm2 크기의 유리형 투명 태양전지 모듈을 성공적으로 개발하였다 (20%의 광 투과도에서, 14.7%의 광전변환 효율 달성). 더불어, 본 연구팀이 개발한 투명 모듈을 활용하여 자연 태양광 조사 환경에서 스마트폰 광충전을 시연하여 모듈의 실용성 또한 검증하였다. 뿐만 아니라, 후면전극형 구조는 일반적인 태양전지 구조에 비해 광학적/전기적 손실을 최소화시킬 수 있는 구조적 장점으로 인해 태양전지의 고효율화를 달성할 수 있었다. 연구팀이 개발한 후면전극형 투명 태양전지 단일 소자는 20%의 광 투과도에서 15.8%의 높은 광전변환 효율을 보였으며, 이는 현재까지 보고된 중성색 기반 투명 태양전지 중에서 가장 높은 효율을 나타내었다.

3. 기대효과

투명 태양전지는 건물의 창문이나 차량 선루프와 같은 기존 불투명한 태양전지가 적용되기 어려웠던 곳에도 적용할 수 있는 높은 파급력을 보이는 매우 매력적인 친환경 에너지 변환 소자이지만, 실사용적 측면에서 모듈화를 통한 전압 및 전류 향상이 필수적이다. 그러나 현재 모듈화 연구는 여전히 연구 초기 단계이며 효율성 뿐만 아니라 심미성까지 동시에 확보하면서 모듈 개발을 하기에는 많은 기술적 장애물이 있다. 하지만 본 연구를 통해 고효율 및 완벽한 미관을 보장하는 투명 태양전지 모듈이 개발됨에 따라 투명 태양전지의 상용화가 매우 빨라질 것으로 기대된다. 더불어, 개발된 투명 모듈을 활용하여 야외 태양광 조사 환경에서 스마트폰 충전을 성공적으로 시연하였다. 이를 통해 투명 태양전지가 실제로 전자소자와 응용이 가능함을 보여주었으며, 이러한 시연은 친환경 미래 에너지 솔루션 산업에 기술적 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다.

[용어설명]

1. 투명 태양전지 (Transparent solar cells)

일반 유리처럼 빛을 투과시키면서도 전기를 생산할 수 있는 태양전지.

2. 광전변환 효율 (Power conversion efficiency)

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

3. 후면 전극형 (All-back-contact)

모든 전극이 태양전지 후면에 위치하여 전면에 전극이 없도록 설계된 태양전지 구조.

4. 연결 부위가 보이지 않는 모듈화 (Seamless modularization)

후면 전극형 태양전지 구조를 활용하여 금속 와이어 및 태양전지 간 간격 없이 서로 다른 태양전지들을 전기적으로 연결하는 방법으로서 본 연구진이 제시한 핵심 기술.  

5. 광충전 (Photocharging)

태양광을 이용하여 전자기기의 배터리를 충전하는 과정을 의미함.

[그림설명]

그림1. (위) 16 cm2 크기의 후면전극형 투명 태양전지 모듈, (아래) 소자 연결 개수에 따른 후면전극형 투명 태양전지 모듈의 전류-전압 특성 그래프 

그림2. (왼쪽) 후면전극형 투명 태양전지 모듈과 스마트폰 간의 광충전 셋업 이미지, (오른쪽) 자연 태양광 조사 환경에서 투명 태양전지 모듈에 의한 스마트폰 광충전 시연 이미지

그림3. (왼쪽) 4인치 결정질 실리콘 웨이퍼에서 제작된 1 cm2 크기의 후면전극형 투명 태양전지, (오른쪽 위) 후면전극형 투명 태양전지 모식도, (오른쪽 아래) 후면전극형 투명 태양전지의 상/하부 광학 현미경 이미지