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Jun 28, 2023

저비용, 고효율, 다양한 색상

유연기판과 다양한 색상을 적용한 투명박막 개발 과학기술연구회 이미지 : 유연기판에 투명박막 태양전지 구현

유연한 기판과 다양한 색상을 적용한 투명박막 개발

국립과학기술연구회

이미지: 알루미늄이 도핑된 산화아연 소재에 수소를 주기적으로 혼합해 컬러를 구현한 유연한 기판 위의 투명 박막 태양전지더보기

출처: 한국재료과학연구원(KIMS)

한국재료과학연구원(KIMS) 에너지전자재료전공 권중대 박사 연구팀이 세계 최초로 다양한 반사광을 나타내는 유연한 기판 위에 투명박막태양전지를 구현하는데 성공했다. 태양전지의 효율을 크게 저하시키지 않습니다. KIMS는 과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관입니다.

투명전극인 알루미늄이 도핑된 산화아연 소재에 주기적으로 수소를 주입해 굴절률 차이를 유도해 단일 소재만의 반사색을 구현하는 기술이다. 굴절률 차이가 5% 미만의 극히 낮은 다층박막을 설계함으로써 태양전지 소자가 흡수하는 가시광선 영역의 반사손실을 최소화하였다. 컬러 구현으로 인한 태양전지 효율 저하가 거의 없어 다양한 박막 태양전지용 흡수체에 적용 가능합니다. 또한, BIPV(Building Integrated Photo Voltaic), VIPV(Vehicle Integrated Photo Voltaic)용 유연기판 투명박막 태양전지의 미적 개선을 위한 벤치마크 역할도 할 것으로 기대된다.

현재까지 투명박막 태양전지의 심미성을 향상시키기 위한 색상 적용 방법으로는 굴절률 차이가 큰 물질의 다층박막화 기술, 광학 특성 설계를 위한 색상 조절 박막 코팅 기술, 구조적 색상을 모방한 자연 구조 모방 기술 등이 활용되어 왔다. 그러나 이들 기술은 반사대역이 넓고 반사율이 높아 가시광선을 흡수하는 태양전지에는 적합하지 않거나, 2개 이상의 소재와 공정 측면에서 산업적으로 적용하기 어려운 복잡한 기술이 요구된다.

연구팀은 일반적인 반도체 및 태양전지 제조 공정에서 사용되는 진공 스퍼터링 증착 방식으로 산화아연 박막을 증착하면서 주기적인 수소반응을 통해 굴절률이 다른 다층박막을 형성했다. 이후 다층박막의 두께를 조절해 빛의 삼원색을 얻었다. 당시 가시광선 영역의 빛을 흡수하는 태양전지에 적용해도 전극의 색상이 잘 구현됐다.

단일 물질을 기반으로 한 다층 투명박막 전극은 별도의 가공이 필요하지 않습니다. 다양한 색상과 고효율의 박막형 태양전지를 저렴한 비용으로 구현할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 반사색은 광학 필터로 구현되므로 이미지 센서, 포토리소그래피 마스크, 적외선 차폐 등 다양한 분야에 적용이 가능하다.

권중대 책임연구원 박사는 “이 기술이 상용화되면 간편하고 공정이 필요 없는 광필터 기술, 고효율 유색 유연기판 투명박막 태양전지 개발은 물론, 실용화에 도움이 될 것”이라고 말했다. 현대식 건물을 위한 BIPV 시스템과 미적인 특징을 갖춘 차량을 위한 VIPV 시스템입니다.”

이번 연구는 과학기술정보통신부 지원을 받아 한국재료과학연구원 기초연구사업과 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업으로 수행됐다. 또한, 이번 연구 결과는 화학공학 분야 상위 3% 학술지인 Chemical Engineering Journal(IF: 15.1)에 8월 3일 게재됐다. (제1저자: 최수원 박사) , 교신저자 : 부산대학교 송풍근 교수, 한국항공대학교, 신명훈 교수). 연구팀은 이번 연구를 바탕으로 BIPV의 심미성과 실용성을 모두 고려하여 색상을 표현하는 태양광 모듈 분야의 후속 연구를 활발히 진행하고 있다.