단일재료를 적층으로 활용해 삼원색을 구현한 투명 박막 태양전지. (사진=재료연 제공)

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS, 이하 재료연) 에너지전자재료연구실 권정대 박사 연구팀이 다양한 반사색을 나타내면서도 태양전지 효율을 크게 떨어뜨리지 않는 유연 기판 투명 박막 태양전지를 세계 최초로 구현하는 데 성공했다.

본 연구는 투명전극인 알루미늄을 도핑한 산화아연 재료에 수소를 주기적으로 혼입해 굴절률 차이를 유발함으로써, 단일재료만으로 반사색을 구현하는 기술이다. 5% 이하의 극도로 낮은 굴절률 차이의 다층박막을 설계해 태양전지 소자가 흡수하는 가시광 영역의 반사손실을 최소화했다. 색상 구현으로 인해 태양전지 효율을 거의 떨어뜨리지 않아 다양한 박막 태양전지용 흡수체에 적용할 수 있다. 또한, BIPV(건물 일체형 태양광) 및 VIPV(차량일체형 태양광)용 유연 기판 투명 박막 태양전지의 심미성 증진에 척도가 될 것으로 기대된다.

지금까지 투명 박막 태양전지의 심미성 개선을 위한 색상적용 방식은 굴절률 차이가 큰 재료의 다층 박막화 기술, 광 특성 설계를 위한 색상 제어 박막층 기술, 자연 구조 모방형 구조색 기술들이 적용돼왔다. 하지만 이러한 기술은 넓은 반사 대역과 높은 반사도로 인해 가시광선을 흡수하는 태양전지에 부적합하거나, 두 가지 이상의 재료 및 공정상 산업적으로 적용하기 어려운 복잡한 기술을 요구하는 편이다.

연구팀은 일반적인 반도체 및 태양전지 제조 공정에 사용되는 진공 스퍼터링 증착 방식으로 산화아연 박막을 증착하면서, 주기적인 수소 반응을 통해 굴절률이 다른 다층박막을 형성시켰다. 이후 다층박막의 두께를 조절해 빛의 삼원색을 얻었다. 이때 전극의 색상은 가시광 영역의 빛을 흡수하는 태양전지에 적용해도 그대로 잘 구현됐다.

단일재료 기반의 다층박막 투명전극은 추가적인 공정이 필요 없다. 낮은 비용으로 박막 태양전지의 다양한 색상과 높은 효율 구현이 가능할 것으로 기대된다. 또한, 반사색은 광 필터 역할에서 구현되므로, 이를 필요로 하는 이미지센서나 포토리소그래피용 마스크, 적외선 차폐 등 다양한 분야에 적용할 수 있을 것으로 예상된다.

재료연 권정대 책임연구원은 "본 기술이 상용화되면 간단하면서 공정상 어려움이 없는 광 필터 기술 및 고효율 유색 유연 기판 투명 박막태양전지의 개발, 그리고 심미적 특성을 고려한 현대 건축물의 BIPV와 차량의 VIPV 시스템을 실현하는 데 많은 도움을 줄 것으로 기대한다"고 말했다.

본 연구성과는 과학기술정보통신부 지원으로 한국재료연구원 기본사업 및 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업을 통해 수행됐다. 또한 연구 결과는 화학공학 분야 최상위권 저널(상위 3% 이내)인 케미컬 엔지니어링 저널(Chemical Engineering Journal, IF: 15.1)에 8월 3일자로 게재됐다. 연구팀은 본 연구를 바탕으로, BIPV의 심미적 측면과 실용적 부분을 함께 고려한 색상을 표현하는 태양광 모듈 분야에서 후속 연구를 활발하게 진행 중이다.