대구경북과학기술원(이하 DGIST)이 플렉시블 CZTS계 박막태양전지의 광전변환 세계최고 수준인 11.4%의  효율을 달성했다고 10일 밝혔다.

이번 연구를 통해 향후 미래 태양광 기술과 차세대 박막태양전지 산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

플렉시블 CZTS계 박막태양전지는 플렉시블 기판기술을 기반으로 웨어러블, 건물, 자동차 등 실생활의 다양한 분야에 응용가능하다. 

또 저가의 친환경 범용소재를 사용함으로 차세대 태양광 기술로 각광받고 있어 전 세계적으로 연구가 이뤄지고 있지만 플렉시블 기판의 불순물 확산, 박리 등 기술적인 문제로 광전변환 효율이 10%를 넘지 못하는 실정이었다. 

에너지융합연구부 강진규 박사 연구팀은 독보적인 연구를 진행하며 이번 연구에서 11.4%의 세계최고 효율을 공인 받았다. 

특히 저비용·친환경 소재인 청동(Cu-Sn)과 황동(Cu-Zn)을 이용하기 때문에 고가인 인듐이나 중금속재료인 납, 카드뮴을 이용하는 기존의 박막 태양전지(CIGS, CdTe, 페로브스카이트)에 비해 대량 생산에 훨씬 유리하다.

이번 연구의 큰 성과 중 하나는 기존의 3층 구조 CZTS계 박막태양전지 전구체를 다층 구조로 바꿔 전압 특성 및 균일도를 개선해 효율을 향상시킨 점이다.

또 일반적으로 박막태양전지에 대면적 공정(Large-area process)이 적용될 경우 균일도가 떨어지는 문제가 발생하는데, 이번 연구의 공정기술은 효율 개선뿐 아니라 균일도 면에서도 개선된 성과를 보였다. 

연구의 공정기술 개발을 주도한 양기정 박사는 “본 성과는 상용화 단계에서 이슈가 될 수 있는 대면적 공정의 균일도 확보 방안을 제시했다”며 “건물 외벽 적용 등 다양한 분야에서 활용 가능한 차세대 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다”고 밝혔다.

강진규 책임연구원은 “범용·친환경 소재를 활용한 박막태양전지 분야에서 성과를 낸 것은 의미가 크다”며 “앞으로도 범용소재를 활용하는 미래 태양광 소재 기술을 선도하고 더 나아가 박막태양전지 산업 발전에 기여하고자 한다”고 말했다.

연구성과는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원의 지원으로 ‘범용무독성 광흡수층 기반 플렉시블 무기 박막태양전지개발’ 과제로 수행 중이며, 해당 성과를 바탕으로 박막태양전지 연구센터를 설립 예정이다. 관련 전구체 설계 기술은 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 7월 4일자 게재됐다. 

김범수 기자