CIS계 박막 태양전지

본 연구단에서는 유리, 스테인리스 스틸 등의 기판을 사용한 CIGS (CuInGaSe2) 박막 태양전지의 저가·고효율화를 위한 다양한 연구를 진행하고 있다. 금속 원소의 3단계 Co-evaporation 방법으로 최고 18.3%의 변환 효율을, Sputtering 방법으로 Cu-In-Ga 박막을 셀렌화하여 CIGS 광흡수층을 제조하는 기술로는 최고 9.7%의 변환효율을 얻고 있다. (한국과학기술원 신소재 공학과 안병태 교수팀과 공동 연구 추진 중) 또한 Mechanical/Laser scribing 공정을 적용하여 제작된 미니모듈에서는 10.6%의 변환효율을 얻고 있다.

Cd-free buffer 층 소재 개발을 위해 CBD (Chemical Bath Deposition) 공정으로 Inx(OH,S)y 등 In 계, Zn 계 그리고 In/Zn 혼합계 물질에 대한 연구도 함께 진행하고 있다. 본 연구단에서는 CIS 박막 태양전지에 필요한 모든 단위 박막 연구설비와 모듈 제조에 필수적인 Mechanical/Laser scriber 등을 함께 보유하여 CIS 계 화합물 박막 태양전지에 대한 핵심원천 기술 개발과 산업화 연구를 병행하여 수행하고 있다.

현재의 단일 접합 (Single junction) 태양전지에서는 밴드갭 (Bandgap: Si의 경우 약 1.1 eV) 보다 장파장의 태양 복사에너지는 태양전지에 흡수되지 않고 통과하고, 밴드갭보다 짧은 파장의 복사 에너지만 흡수되어 발전에 기여하는데, 이때 밴드갭보다 큰 여분의 에너지는 열로 바뀌어 소실된다. 따라서 태양전지의 광전 변환효율을 극대화하기 위해서는 파장대별로 태양광 복사 에너지를 흡수?변환할 수 있도록 밴드갭 크기에 따라 태양전지를 다층 구조로 설계, 제조하여야 한다. Top cell에서는 우선 변환효율을 극대화할 수 있는 wide bandgap 소재를 찾아내는 것이 핵심이다. 이에 적합한 I-III-VI2 계 화합물로는 CuGaSe2, CuGa(Se,S)2, cuinal(Se,s)2 가 해당되며 이밖에 I-II-IV-VI, II-VI 족 화합물 등이 후보군에 들어간다. Co-evaporation 공정으로 1.7- 1.8 eV 정도의 넓은 밴드갭을 가진 CuGaSe2를 기본으로 Se의 일부를 S로 대체 [CuGa(S,Se)2] 하거나 동시에 Ga의 일부를 In, Al으로 대체하는 5-6원 화합물 [CuInAlGa(S,Se)2]의 광흡수층 개발과 함께 태양전지 소자를 제조하여 2030년까지 변환효율 22%를 목표로 한다.

CIGS 광투과층, buffer 층 및 투명전극을 나노 입자 공정으로 대체하여 값싼 태양전지를 제조하는 것이 목표이다. Chalcopyrite 다원화합물 나노입자 콜로이드 합성 및 박막 제조, buffer층과 window층 소재 개발 및 나노 구조화, 단위박막 적층에 의한 태양전지 소자 제조와 고효율화 기술, 박막 태양전지 모듈화 기술개발 등이 주요 연구과제이다. 입자가 나노크기로 줄어들면 기존의 마이크로 단위의 벌크 및 박막에서 볼 수 없었던 특성이 나타나는데, 대표적인 것이 입자 사이즈가 작아짐에 따라 물질의 밴드갭이 증가되는 현상이다. 이러한 나노 사이즈 효과를 이용하면 입자 크기에 따라 다양한 밴드갭을 가진 광흡수층을 제조할 수 있으므로 적층형 태양전지를 보다 쉽게 만들 수 있다.

 

 출처 : 태양전지 연구단