Special 에너지 절감 스마트 건물용 핵심소재 및 공정기술 개발 동향(2)

양면이용 가능형 세라믹 하이브리드 반투명 태양전지

임동찬_한국재료연구원 나노혁신연구센터장/책임연구원
김소연_한국재료연구원 에너지전자재료연구실 선임연구원

1. 서 론

양면이용 가능형 반투명 태양전지는 태양광 발전 기술 중 하나로, 전면과 뒷면 모두 활용하여 전력을 생산할 수 있는 기술이다. 창문, 커튼 혹은 자동창의 투광창 등과 같은 표면에 적용될 수 있으며, 내부 공간을 밝히는 것과 동시에 전기를 생산할 수 있다. 현재 가장 많이 사용되고 있는 일반적인 실리콘 기반의 불투명 태양전지 시스템이 아닌 전도성 유기물, 페로브스카이트, 양자점 혹은 실리콘 박막과 같은 광활성 소재를 수백 나노미터 두께로 얇게 코팅하고, 투명한 전도성 전극을 소자의 상, 하부에 코팅하여 양면에서 모두 빛을 흡수하여 전력을 생산할 수 있는 태양전지이다.
  반투명 태양전지는 단면적 당 발전량이 일반적인 태양전지보다 낮으며, 현재 대규모 생산이 어렵고 비용이 높기 때문에 아직은 적용이 제한적이다. 그러나 에너지 효율성을 높일 뿐 아니라 건물의 외관 디자인을 개선하고 친환경적인 미래 건축물의 모습을 만들어갈 수 있다는 기대감으로 인해 관심도가 증가하고 있으며 건축물뿐만 아니라 자동차, IoT 센서, 스마트 팜 등 다양한 분야에 활용 가능성이 높은 것으로 기대되고 있다.
  본 기고에서는 반투명 태양전지의 발전 방향 및 양면이용을 위한 반투명 태양전지 전극기술에 대해 소개하고자 한다. 특히 실내외 광원을 동시에 활용 가능한 세라믹 전극이 하이브리드된 유기계 반투명 태양전지 기술에 대해 구체적으로 논의하고자 한다.

2. 본 론

그림 1은 대표적인 고효율의 반투명형 태양전지 개발 방법이다. 불투명 태양전지 사이로 빛을 통과하는 방법 및 특정 파장의 흡수 선택성 없이 광흡수 층을 얇게 하는 박막형 태양전지, 또는 선택적으로 가시광의 빛은 투과시키고 자외선 및 적외선을 흡수하여 에너지를 생산하는 방식이 있다. 기술별 발전 효율의 차이는 있지만 파장 선택적 기술을 적용할 경우 높은 투광도와 심미성이 우수한 창문형 BIPV(Building Integration Photovoltaics) 제작에 유리하다.

그림 1. 반투명형 태양전지 개발 방법

  오스트리아 Startus Insight는 전 세계 박막형 태양전지 개발에 선두를 달리고 있는 4개의 스타트업 기업을 선정하였다(그림 2). 흥미롭게도 차세대 박막형 태양전지의 발전 방향에 대한 공통된 키워드는 BIPV 창호 적용을 위한 투광형, 자연광 이외에 저조도 및 인공광원에서 활용 가능한 태양전지, 섬유, iskin 등 인체에 융합 가능한 태양전지, 친환경 소재 및 공정을 들 수 있다.

그림 2. 박막형 태양전지 종류 및 기업

  그림 3a는 BIPV 적용을 위한 반투명 태양전지의 기술 변화를 보여주고 있다. 차례대로 불투명 실리콘 태양전지 셀을 연결하고, 셀과 셀의 간격 조절, 즉, 개구율 조절을 통해 투명도를 확보하는 기술로 현재 가장 많이 적용되고 있는 기술이다. 반면 차세대 BIPV 적용 기술은 앞서 기술한 바와 같이 다양한 박막형 광활성 소재를 적용하는 기술이다.
  그림 3b의 박막형 반투명 태양전지는 한국재료연구원에서 개발 중인 유기태양전지로, 투광도 확보를 위해 단계별로 차별화된 전극기술을 적용 중이다. 우선 통상적인 박막형 태양전지 제작 기술과 같이 ITO와 같은 투명 전도성 기판상에 층간 소재 및 광할성 소재 등을 적층한 후 실버 그리드 전극을 형성하는 것으로, 불투명한 실버 그리드의 개구율 조절을 통해 투광도를 확보하는 기술이다. 일반전으로 약 20% 내외의 투광도 확보가 가능하다. 실버 그리드에 의한 시인성 제한 및 패턴이 육안으로 식별되는 문제로 인해 BIPV 적용에 다소 제약이 있다.

그림 3. 반투명 태양전지 개발 방향

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