초록 ▼

재생 가능한 에너지원의 하나로서 각광받고 있는 태양전지 젓에서 비정질 또는 나노결정질 실리콘 박막을 흡수층으로 사용하는 실리콘 박막 태양전지는 흡수층의 박막화에 따른 제조비용 상의 장점 때문에 장차 태양전지 분야에서 독자적인 영역을 구축할 것으로 예상되고 있으며 특히 가벼운 무게 및 투명화 가능성으로 인하여 건물일체형 태양전지(building integrated photovoltaics, BIPV) 분야에서의 활용이 기대되고 있다. 염료감응형 태양전지로 대표되는 투명 태양전지는 건축물에 적용하여 외관을 미려하게 하는 심미적인 장점을

재생 가능한 에너지원의 하나로서 각광받고 있는 태양전지 젓에서 비정질 또는 나노결정질 실리콘 박막을 흡수층으로 사용하는 실리콘 박막 태양전지는 흡수층의 박막화에 따른 제조비용 상의 장점 때문에 장차 태양전지 분야에서 독자적인 영역을 구축할 것으로 예상되고 있으며 특히 가벼운 무게 및 투명화 가능성으로 인하여 건물일체형 태양전지(building integrated photovoltaics, BIPV) 분야에서의 활용이 기대되고 있다. 염료감응형 태양전지로 대표되는 투명 태양전지는 건축물에 적용하여 외관을 미려하게 하는 심미적인 장점을 가지고 있어서 친환경 및 고급화를 지향하는 현 시대의 트렌드에 맞게 그 수요는 큰 폭으로 증가할 것으로 전망된다. 한편 염료감응형 태양전지는 공정이 단순하고 가격이 저렴한 장점이 있으나 아직까지 변환효율이 낮고 화학적 안정성이 떨어지는 등 지속적으로 성능이 개선되어야 하는 과제를 안고 있다. 재현성 및 신뢰성 측면에서 탁월한 실리콘 공정으로 제조되는 실리콘 박막 태양전지는 그 대안으로서 유망하며, 실리콘 박막 태양전지를 건물의 창호 및 온실의 외장재 등으로 폭넓게 사용하기 위해서는 실리콘 박막 태양전지의 투명화, 컬러화, 및 변환효율 향상 기술을 개발해야 할 필요가 있다.
본 연구에서는 실리콘 박막을 흡수층으로 이용하면서 가시광선을 투과시키는 특성이 있는 실리콘 투명 태양전지의 구성요소로서, 적외선 영역을 흡수층으로 재반사시켜 광전 변환효율을 향상시키면서 가시광선에 대한 투과율은 유지시키는 특성이 있는 파장선택 다층구조를 개발하였다. 반응성 스퍼터 증착, 용액공정, 및 응집현상을 기반으로 하여 파장선택 다층구조를 구성하는 선택적 투과막과 나노입자의 형성 기술을 확립하였다. 선택적 투과막과 나노입자가 적층된 파장선택 다층구조를 제조하고 광학적 특성과 열적 안정성을 평가하였으며, 파장 선택 다층구조를 실리콘 투명 태양전지 셀에 적용하여 시작품을 제작하고 그 성능을 평가하였다.
선택적 투과막 소재로서 AlTiO 및 ZrO 박막을 산소 분위기에서 반응성 스퍼터 증착으로 형성하고 공정 최적화를 진행하여 가시광선은 투과시키고 적외선은 반사시키는 선택적 투과 특성을 확보하였다. AlTiO 박막은 Al과 Ti의 비율을 변화시킴으로써 광학 상수 제어가 가능한 물성 측면에서의 장점이 있고 ZrO 박막은 구성 원소가 단순하고 증착속도가 빨라서 태양전지 제조 공정상의 이점이 있음을 확인하였다. 나노입자 소재로서 파장선택 다층구조에 적용이 가능한 최소 크기가 10nm인 Cu 나노입자를 용액공정 및 금속박막 열처리 시 발생하는 응집을 이용하여 형성하고 나노입자를 스핀코팅 공정을 이용하여 투명 기판 위에 분포시킨 후 그 광학적 특성을 측정하고 색상을 관찰하였다. 나노입자가 포함된 나노 콜로이드의 용액농도, 스핀코팅 속도, 및 스핀코팅 시간을 변화시킴으로써 나노입자의 크기 및 분포를 다양하게 하여 광학적 특성을 제어하고 light blue, dark yellow, red 3종의 색상을 구현하였다. 또한 선택적 투과막의 조성과 두께를 제어함으로써 가시광선 영역 최대 투과율 90% 이상, 적외선 영역 최대반사율 30% 이상의 연구 목표를 달성하였다. 상에 따라서 반사율 및 투과율이 가변되는 GeSbTe 칼코겐화물 상변화 재료를 실리콘 투명 태양전지의 광학층으로서 응용하기 위해 요구되는 반투명 특성이 고온까지 유지되도록 하는 데에 효과가 있는 InP 불순물 도핑 기술을 확립하였다.
파장선택 다층구조의 열처리 테스트를 실시하여 상온에서 200oC까지의 열처리 온도 범위에서 상호확산이 발생하지 않는다는 사실을 확인하고 파장선택 다층구조가 태양전지 내에서 광학 구성요소로 기능할 수 있음을 입증하였다. 연속 증착으로 p-, i-, 및 n-Si:H 박막이 적층된 비정질 실리콘 pin 구조를 형성하고 후면에 선택적 투과막과 나노입자로 구성된 파장선택 다층구조를 적용하여 실리콘 투명 태양전지 시작품을 제작하였다. 제작된 셀은 orange 색상을 띠며 투과율이 750nm의 파장에서 약 20%이고 변환효율이 7.76%였다. 이러한 결과로부터 본 과제를 수행함으로써 기존 실리콘 박막 태양전지의 용도와 차별적인, BIPV 용으로 적합한 투명하고 색상을 띠며 변환효율이 향상된 투명 실리콘 박막 태양전지를 구현하였다는 결론을 내릴 수 있다.

(출처 : 연구결과 요약문 4p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 목차 ... 3
• Ⅰ. 연구결과 요약문 ... 4
• Ⅱ. 연구내용 및 결과 ... 5
• 1. 연구과제의 개요 ... 5
• 2. 국내외 기술개발 현황 ... 5
• 3. 연구수행 내용 및 결과 ... 6
• 4. 목표 달성도 및 관련 분야에의 기여도 ... 7
• 5. 연구결과의 활용계획 ... 8
• 6. 연구과정에서 수집한 해외과학기술정보 ... 8
• Ⅲ. 연구성과 ... 9
• 끝페이지 ... 12