태양광 발전은 빛 에너지를 이용하여 전력을 생산하는 발전 방법으로 탄소 중립의 주요한 해결책으로 손꼽히고 있다. 도심에서 건물에 부착된 것을 흔히 볼 수 있는데 최근 효율이 높으면서도 다양한 색상을 이용하여 심미성을 향상시키는 연구가 개발되고 있다. 이 글에서는 태양광 발전의 종류와 최신 컬러 태양전지 제작 기술 동향에 대해 살펴보고자 한다.
 

글/ 고려대학교 주병권 교수 연구실
주병권(고려대학교 전기전자공학부 교수)
정주연(한국기계연구원 나노공정장비연구실 책임연구원)
신상호(고려대학교 전기전자공학과 연구교수)
안효진(고려대학교 전기전자공학과 석박통합과정)

1. 서론

환경오염 및 탄소배출량 증가로 인해 세계기상기구(WMO,World Meteorological Organization)는 2027년 안에 지구 평균 온도 1.5 ℃ 기준점 돌파를 예측하고 있으며^[1] 매년 달라지는 기후변화는 우리 피부로 와 닿고 있다. 태양광 발전은 빛에너지를 전기에너지로 바꾸어 전력을 생산하는 친환경 에너지 기술 중의 하나로 탄소중립 실현을 위해 수십 년 동안 급속도로 성장해왔다.

Si 기반의 태양전지는 20% 이상의 효율과 고안정성 및 저비용으로 인해 널리 상용화 되었으나 태양광 패널은 전력변환 효율(PCE, Power conversion efficiency)을 최대화하기 위해 일반적으로 검고 어두운 외관을 형성하고 있어 미관상 설치가 제한적이다.

최근 주변 환경을 고려하여 심미성 요소가 고려되어 건물 일체형 태양광(BIPV, building integrated photovoltaic) 연구가 진행되고 있으며 투명하거나 아름다운 색상을 통해 수많은 응용분야에 사용 및 융합 될 수 있는 잠재력이 있다.

이 글에서는 다채로운 색상을 표현할 수 있는 새로운 형태의 태양전지에 대한 기술동향에 대해 다뤄보고자 한다.
 

2. 태양전지의 종류 및 원리

태양전지는 상용화 단계에 따라 1세대(결정질 실리콘), 2세대(박막 반도체), 3세대(염료감응, 페로브스카이트 등) 태양전지로 구분되며 흡광층 소재의 종류에 따라 크게 실리콘계, 화합물반도체계, 유기계 등으로 분류된다.

태양광 발전의 기본적인 원리는 광전효과에 의해 발생한 전자가 전위차를 발생시키고 이로 인해 전류가 흘러 전기가 생성된다.

3. 태양광 발전 기술

미국신재생에너지연구소(NREL, National Renewable Energy Laboratory)는 해마다 태양전지 최고 효율 기록을 발표하고 있다. 1세대 태양전지인 단결정 실리콘 태양전지의 최고 효율은 중국의 Longi 연구팀에서 26.8%, 2세대 태양전지인 CdTe와 CIGS 태양전지의 최고 효율은 First solar 연구팀에서 23.3%, Evolar 연구팀에서 23.6% 을 나타낸다.

 

3-1. 실리콘 태양전지(1세대)

결정질 실리콘 태양전지는 단결정(Single crystalline)과 다결정(Multi-crystalline)으로 나뉜다. 실리콘 태양전지는 주로 p형과 n형 반도체를 접합하여 전자의 흐름을 통해 전기를 발생시키며 결정질 실리콘 태양전지는 높은 안정성과 낮은 가격으로 시장에서 가장 먼저 상용화되어 태양광 시장의 90% 이상을 점유하고 있다.

하지만 실리콘 태양전지는 태양광이 전지 표면에 수직으로 입사할 때 최대 효율을 얻을 수 있어 광전환 효율이 20% 중반대에 그치는 한계가 있다.

3-2. CdTe, CIGS 박막 태양전지(2세대)

박막형 태양전지는 시장에서 약 8%를 차지하고 있으며, 실리콘 태양전지와 다르게 투명하거나 유연한 기판 위에 박막의 형태로 얇게 소재를 증착하여 재료비 절감 장점이 있다. 주로 광 흡수율이 좋은 CdTe와 CIGS(Cu, In, Ga, Se) 등으로 구성된 화합물 반도체를 사용하며 1~2 μm 두께만으로도 고효율 태양전지 제작이 가능하다.

하지만 이러한 태양전지의 효율은 1세대 태양전지보다 낮고 흡수층의 두께가 감소하면서 태양빛 흡수도 함께 감소하는 단점이 있다.
 

3-3. 페로브스카이트 태양전지(3세대)

페로브 스카이트는 화학식 ABX₃의 물질로 두개의 양이온과 하나의 음이온이 결합하여 3차원 결정을 이룬다. 전하의 높은 이동도와 다양한 조성의 재료를 사용할 수 있고 유연한 성질을 이용할 수 있는 장점이 있다.

페로브스카이트 흡광 물질 중 CH₃NH₃PbI₃가 가장 많은 연구가 되었으며 고성능 대표 물질이다. 하지만 이 물질은 습도에 매우 민감하여 습도가 존재할 경우 역반응을 통해 CH₃NH₃I와 PbI₂로 분해되어 소자의 광전변환효율이 급격히 감소한다.
 

4. 컬러태양전지 기술 동향

4-1. 광 공동 기술 동향

Ken-Tseng Wong 교수 연구팀^[4]은 Ag/HATCN/Ag로 구성된 샌드위치 구조를 가진 미세공동(micro-cavity) 전극을 사용하여 용액 공정 고분자 태양전지(PSC, solution-processed polymer solar cell)와 저분자 태양전지 (SMSC, small molecule solar cell)에 적용하였다.

광활성 혼합물로 PM6:Y6를 사용하여 Ag/HATCN/Ag 전극을 구현하였고 13% 이상의 PCE를 달성했다. DTDCPB:C70 혼합물로 구성된 활성층을 기반으로 적색 SMSC는 7.84%의 PCE와 26.4%의 투과도를 나타내며 미세공동이 형성된 Ag/HATCN/Ag 전극이 다양한 분야에 잠재력이 있음을 보고하였다.

Yongbing Long 교수 연구팀^[5]은 Au/Ag/MgF₂/Ag 구조의 MgF₂ 미세공동을 사용한 반투명 유기 태양전지(ST-OSC,transparent organic solar cell)를 보고하였다.

본 논문에서 소개된 ST-OSC의 소자 구조는 Glass/ITO/ZnO/PTB7-Th:IEICO-4F/MoO₃/Au/Ag/MgF₂/Ag이다. MgF₂ 미세공동은 청색광에 대한 투과율이 가장 높았으며 PTB7-Th:IEICO-4F는 청색광에 약한 흡수를 나타내었다. MgF₂의 두께를 조절하여 서로 다른 색상의 ST-OSC 소자를 제작하였고 청색광에서 5%의 낮는 PCE 손실률과 48%의 높은 투과율을 달성한 유기 태양전지를 개발하였다.
 

4-2. 나노입자 기반 기술동향

나노(nano, 10^-9) 소재를 이용하여 태양전지의 흡광층 뿐만 아니라 전면전극 또는 후면전극에도 응용 될 수 있다.

나노 구조는 반응 표면적을 획기적으로 증가시킬 수 있어 동일한 면적에서 더 많은 빛을 흡수하여 단위면적당 발전량을 크게 증대 할 수 있는 잠재력이 있으며 anti-reflction 효과를 통해 반사도를 감소시켜 입사되는 광을 효과적으로 활용 할 수 있다.

Jing De Chen 교수 연구팀은[6] 실리카 구 기반 비정질 광결정(APC, amorphous photonic crystal)을 사용하여 다채로운 색상의 반투명 유기 태양전지(STOSCs, Semi transparent organic solar cells)를 개발했다.

제어된 주기성을 갖는 APC는 STOSC에 대한 야누스(Janus)광학 효과를 발생시켜 파란색에서 분홍색까지 선명한 반사 색상과 유연 소자에 대해 안정적인 색상을 유지하며 14%의 높은 PCE 성능으로 태양 광전지 유리 커튼의 적용을 위한 잠재력이 있음을 보여주었다.

Linhua Liu 교수 연구팀 ^[7]은 Si@SiO₂ 코어-쉘 나노 입자와 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)를 사용하여 Si PV 모듈의 커버 글라스에 적용할 수 있는 투명 색상의 복사 냉각 나노 복합 코팅을 설계 하였다.

시뮬레이션 결과 Mie 공진을 갖는 Si@SiO₂ 코어-쉘 나노 입자는 가시광선을 선택적으로 반사함으로서 색상을 생성한다. PMMA는 높은 투과율과 중적외선 영역에서 우수한 방사율을 나타낸다. 이 연구에서 모든 유색 PV 모듈의 PCE 손실 감소가 10% 미만임을 보여주었으며 나노 복합 코팅을 통해 복사 냉각하여 구조적 색상 PV 모듈을 설계할 수 있는 방법을 제공한다.

한창수 교수 연구팀[8] M. didius 나비 날개를 모사하여 태양전지용 3D 광결정 필름을 개발하였다.

이 필름의 패턴은 나비의 날개 구조를 단순화하여 SiO₂와 TiO₂를 11층으로 적층하여 3D 주기적 구조를 간단한 방법으로 제작했다. 이 구조는 금속 마스크를 사용하지 않고 나노 임프린트 리소그래피와 한 단계의 에칭 공정으로 제조되었다. 각도에 따라 무지개 빛의 반사색을 띄며 이는 전형적인 주기적인 나노 구조체에서 관찰되는 표면 산란의 결과이다.

3D 구조는 피크 위치를 제외한 가시영역에서 1D 샘플보다 높은 투과율을 보였으며 0에서 30°까지 구간에서 더 높은 효율을 나타냈으며 제안된 방법은 컬러 태양전지를 위한 컬러 필름을 개발 할 수 있는 가능성을 보여준다.
 

4-3. 퀀텀닷 기반

Baoquan Sun 교수 연구팀^[9]은 잉크젯 프린팅 기술을 활용하여 퀀텀 닷(QD, quantum dot) 필름을 증착하여 컬러 패턴의 실리콘 이종접합(SHJ, Silicon heterojunction) 태양전지를 구현했다.

다른 방출 파장을 갖는 높은 광발광 양자 수율(PLQY, Photoluminescent quantum yield) QD 필름은 발광 저단(LDS, luminescence down-shift) 공정을 통한 기생 단파장 광 흡수를 완화하였다. SHJ 태양전지에QD 필름을 최적화하여 PCE 23.5%를 달성하였으며 높은 효율을 유지하면서 태양전지 패널의 시각적 미학을 개선하여 고성능 컬러 태양전지에 대한 유망한 해결책을 나타내었다.

결론

이 글에서는 컬러 태양광 발전 기술동향에 대해서 소개하였다.

현재 태양광 기술은 상업화될 만큼 효율이 20% 가까이 연구가 이루어져 있다. 하지만 생활 구조물과 자연을 통한 에너지 공급은 제품이나 자동차와 같이 짧은 주기가 아닌 긴 주기를 생각하고 제작하여야 한다. 또한 성능뿐만 아니라 도시와 어우러지는 디자인에 맞게 제작이 된다면 더 다양한 장소와 분야에 적용될 수 있을 것이다.


참고문헌

[1] Leon, Hermanson, et al. “WMO Global Annual to Decadal Climate Update: A Prediction for 2021-25” Bulletin of the American Meteorological Society 103(4) (2022): E1117-E1129

[2] “Best Research-Cell Efficiency Chart”, NREL, 2023년 07월 31일, https://www.nrel.gov/pv/cell-efficiency.html

[3] “페로브스카이트 태양전지” 이진욱, 박남규. 진공이야기 2014. 12. December http://dx.doi.org/10.5757/vacmag.1.4.10

[4] Yun-Ming Sung et al. “A micro-cavity forming electrode with high thermal stability for semi-transparent colorful organic photovoltaics exceeding 13% power conversion efficiency.” Nano energy 80(2021): 105565

[5] Jinyao zhong et al. “Magnesium fluoride microcavity-based non-fullerene semitransparent organic solar cells with high peak transmittance and low efficiency loss rate.” Organic Electronics 121(2023): 106864

[6] J. De Chen, et al. “Semitransparent Organic Solar Cells with Viewing-Angle- Independent Janus Structural Colors.” Adv. Optical Mater 11(2023): 2201848

[7] Yan Zhou et al. “Energy-efficient colorful silicon photovoltaic modules driven by transparent-colored radiative cooling.” Solar Energy Materials and Solar Cells 259(2023): 112459

[8] Sunghwan Jo et al. “Angle-Insensitive Transmission and Reflection of Nanopatterned Dielectric Multilayer Films for Colorful Solar Cells.” ACS Appl. Mater. Interfaces 12(2020): 29979-29985

[9] Conghui Jiang et al. “Colored Silicon Heterojunction Solar Cells Exceeding 23.5% Efficiency Enabled by Luminescent Down-Shift Quantum Dots.” Adv. Mater 35(2023): 2208042