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 CIGS(구리?인듐?갈륨?셀레늄)으로 만들어진 플렉시블(flexible) 태양전지의 에너지 전환효율을, 새로운 세계 기록인 18.7%가 되도록 성취한 연구결과가 스위스 연방 재료과학 연구소(Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, EMPA)의 과학자들에 의해 보고되었다. 이것은 2010년 6월 동일한 연구팀이 이뤘던 기록인 17.6%를 상당히 뛰어넘는 것이다. 본 측정은 독립된 기관인 독일의 프라운호퍼 태양 에너지 시스템 연구소(Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems)에 의해 인증받았다.
모든 것은 자본에 관한 것이었다. 대규모로 태양전기(solar electricity)를 생산하기 위해, 전세계 과학자들과 공학자들은 오랫동안 저렴한 태양전지를 개발하기 위해 노력하여 왔다. 이 저렴한 태양전지는 고효율성과 높은 생산성을 갖고 손쉽게 조제할 수 있어야 했다. EMPA의 Ayodhya N. Tiwari가 이끄는 박막 광전지 연구소(Laboratory for Thin Film and Photovoltaics)는 이런 측면에서 큰 진전을 이루었다.
Flexible CIGS 태양전지 18.7% 효율의 달성은, 다결정 실리콘 웨이퍼 혹은 유리 기질 위의 CIGS 박막필름전지를 기반으로 하는 태양전지와의 효율차이를 거의 극복한 것이라고 Tiwari는 밝히고 있다. 그는 기존의 태양전지의 최고 효율에 비견하는 효율을 갖춘 유연하고 경량의 CIGS 태양전지가 가까운 미래에 패러다임 전환(paradigm shift) 및 저렴한 태양전기를 가능하게 할 큰 잠재력을 갖게 될 것이라고 확신하고 있다.
플렉시블 고성능 CIGS 태양전지의 한 가지 주요한 장점은, 현재 시장에서 유통되고 있는 제품에 비해 훨씬 높은 효율을 제공함과 동시에 인쇄공정과 유사한 롤투롤 공정(roll-to-roll process)을 통해 제조원가를 낮출 수 있다는 것이다. 게다가, 이와 같은 경량의 유연한 태양전지 모듈은 운송, 설치, 모듈의 구조 프레임 등과 같은 관점에서의 부가적인 비용 이득을 제공해 준다. 즉, 소위 BOS(balance of system) 비용을 크게 감소시키는 기회를 제공한다. 이런 장점을 모두 보유한 새로운 CIGS 고분자 태양전지는 외관, 태양광 발전소 및 휴대용 전자기기에의 응용을 위한 수많은 장점을 보여주고 있다. 현재까지 성취해 낸 고성능 기기를 이용하고 최근에 개발된 공정과 개념을 활용하면, 새로운 연구결과는 16% 이상의 효율을 갖춘 monolithically-interconnected된 flexible CIGS 태양발전 모듈은 충분히 성취가능하다.
최근, 유기기질을 기반으로 하는 박막 태양전지 기술은 산업생산이 가능할 정도로 성숙되어 있다. 그러나 flexible CIGS 기술은 여전히 태생단계에 불과하다. 최근 실험실 및 파일럿 실험에서의 효율성의 향상은 제조성의 장애물을 극복과 성능개선에 기여하고 있다.
이 기술을 규모확대하고 상업화하는 신생기업인 FLISOM의 과학자들과 EMPA 연구팀은, 고분자 혹은 금속 박막 상에 성장시킨 어떤 종류의 플렉시블 태양전지에 대해서도, 2005년 14.1% 기록에서 18.7%의 새로운 기록에 이르기까지 더 효율적인 flexible CIGS 태양전지를 위한 CIGS 층의 저온성장에 중요한 진전을 이루었다. 태양전지 효율의 가장 최근의 개선은, CIGS 층의 구조적 성질을 개선하고 성장하는 층의 저온 침착공정뿐만 아니라 최종 단계에서 나트륨 도핑을 개선을 통한 재조합 손실의 감소를 통해 성취한 것이다. 이런 결과를 이용해, 처음으로 고분자 필름이 최고의 효율 달성을 위한 carrier substrate로써 금속 박막에 비해 우수한 것으로 증명할 수 있었다.
불순물 확산방지막(impurity diffusion barrier)을 갖춘 스틸 박막(steel foil)에서의 17.5% 효율기록은, 지금까지 550°C 이상의 온도에서 CIGS 성장공정을 통해 이루어졌다. 그러나 어떤 확산방지막 없이 스틸 박막에 적용하였을 때, EMPA 및 FLISOM이 개발한 고분자 필름용 저온 CIGS 침착공정을 통해서도 고온 공정을 이용했을 때와 같은 성능을 손쉽게 성취할 수 있었으며 그 효율은 17.7%였다. 본 결과가 의미하는 바는, 금속 박막 상의 해로운 불순물을 위해 일반적으로 사용되는 차단코팅이 필요하지 않다는 점이다. 고분자뿐만 아니라 금속박막 상에 최고의 효율성을 갖춘 플렉시블 태양전지를 성취하기 위해서는 저온 CIGS 침착공정의 이점을 활용할 필요성이 있음을 의미한다고 Tiwari는 밝히고 있다.
Flexible CIGS 태양전지의 에너지 전환효율의 지속적인 개선은 결코 작은 업적이 아니다. 앞으로 본 연구결과의 독창적인 공정개발과 시스템적 방법을 통합하여 저렴한 태양전지 모듈의 대규모 생산을 위한 기술이전의 필요성이 대두되고 있다.
첨부그림> 고분자 필름상의 flexible CIGS 태양전지의 에너지전환 효율의 개선
출처 : http://www.nanowerk.com/news/newsid=21416.php |