CIGS 태양전지는 최고효율이 20%로 박막 태양전지 중 효율이 가장 높다. 20여 년간 옥외 실험에서도 크게 변환효율 저하를 보이지 않아 여타 태양전지에 비해 효율과 신뢰성 면에서 뚜렷한 장점을 갖고 있는 화합물 반도체 태양전지다.

또 원료 소재 비중이 적어 저가의 태양전지 구현이 가능하다. 모듈의 최고효율도 14%에 근접하고 있어 실리콘 기반 제품을 대체할 차세대 태양전지로 부각되고 있다. 정덕영 센터장은 “여러 장점에도 불구하고 현재의 CIGS 박막 태양전지 기술 수준으로는 화석연료와 경쟁할 수 있는 단가를 달성하기가 어렵다. 제조단가는 더욱 낮아져야 하며 변환효율은 더욱 높아져야 한다”고 말했다.

성균관대가 총괄하고 있는 화합물 반도체 태양전지 원천연구기술센터의 목표이기도 하다. 정 센터장은 “우선 태양전지 제조 전 공정을 인쇄 공정만으로 구성해야 하며 최종적으로는 유연기판을 사용한 ‘롤 투 롤(roll to roll)’ 공정적용이 가능해야 한다. 최근까지 인쇄 공정은 오직 ‘태양전지 저가화’만을 위한 기술이라는 생각이 짙었다. 하지만 CIGS 광흡수층에만 인쇄 공정을 적용하고 산화물투명전극을 코팅하는 후속 공정은 여전히 진공장비를 사용하고 있어 생산 단가를 낮추는데 어느 정도 한계가 있을 것으로 보인다”고 지적했다.

센터는 투명전극을 인쇄공정의 적용이 가능한 그래핀(graphene)으로 대체하고 광흡수층과 버퍼층에 독자적인 인쇄 기술을 적용하면 전 공정을 인쇄 공정만으로 구성된 고효율의 태양전지 제조를 할 수 있을 것으로 보고 있다. 이에 따라 센터는 ▲CIGS 전구체 제조 및 인쇄 기술 개발 ▲버퍼층 인쇄 기술개발 ▲그래핀 합성 및 박막화 등 크게 3단계로 분리해 연구를 진행하고 있다. 최근 인쇄기술을 바탕으로 한 CIGS 태양전지 제조가 전 세계적으로 활발하게 연구되고 있지만 이번에 센터가 만들려는 CIGS 태양전지는 기존 CIGS 태양전지와 기술적 구조가 다르기 때문에 차별화된 원천기술 확보가 가능할 전망이다. 특히 태양전지 산업화를 위해 특허분쟁을 최소화 하는데 유리하게 작용할 수 있다. 따라서 이러한 태양전지 고효율화·저가화에 대한 원천기술의 확보가 향후 차세대 성장 동력원으로써 국가 경제발전에 큰 역할을 수행 할 것으로 기대된다. 

 

정덕영 화합물 반도체 태양전지 원천기술 연구센터장(성균관대 교수)


“독자적인 인쇄공정으로 차세대 태양광 시장 겨냥”

-원천기술연구센터에 선정된 비결이 무엇이라고 생각하는지.

인쇄기반 CIGS 박막 기술은 고가의 진공장비를 사용하지 않고 원료의 사용효율이 높아 생산단가를 낮출 수 있다는 장점이 있다. 최근 연구 방향은 CIGS 광흡수층 인쇄기술에만 집중되어 있고 산화물 투명전극을 코팅하는 후속 공정은 여전히 진공장비를 사용하고 있다. 기존 투명전극을 그래핀으로 대체해 CIGS 화밥물 반도체 태양전지 공정 전체를 인쇄 공정만으로 구성하자는 우리의 아이디어가 태양전지 저가화라는 세계적인 연구방향과 잘 부합하면서도 기존 CIGS 태양전지 구조와 다른 독창적인 구조의 제시라는 점에서 좋은 평가를 받은 것 같다. 

-국내외 관련 기술 현황은.

인쇄방식의 CIGS 광흡수층 제조는 주로 미국 기업에 의해 주도되고 있고 우리가 따라가는 실정이다. 미국의 나노솔라(Nanosolar)나 IBM사는 금속 기판에 잉크를 인쇄, 열처리해 CIGS 박막을 제조하는 방식으로 소면적 셀에서 각각 변환효율 10% 이상을 달성하고 있다. 센터의 CIGS 전구체와 그래핀 합성기술은 이미 선진국과도 충분히 경쟁할 수 있는 수준이다. 그래핀을 투명전극으로 사용한 CIGS 태양전지는 기존 CIGS 태양전지와 기술적 구조가 다르기 때문에 센터의 기술 노하우를 이용, 인쇄 공정만으로 고효율의 태양전지 제조에 성공한다면 CIGS 태양전지 저가화에 대한 원천기술을 차별화하고 특허분쟁을 최소화 하는데 유리하게 적용될 것이다.

-센터 운영계획은.

태양전지 개발은 원재료의 제조법에서부터 전지의 구조, p-n접합 등의 접합형성기술, 모듈화에서 시스템에 이르기까지 실제로 여러 분야의 연구개발 노력이 중첩돼 있다. 센터를 화학, 재료, 전자 등 여러 학문에 걸쳐 관련 분야의 팀으로 구성했다. 또한 연구그룹의 활성화를 위해 참여기관과 함께 핵심정보를 공유하고 국내외 학술대회에 참석해 연구동향 및 기술을 파악하는 한편 산학 네트워크 구축, 워크숍, 기반기술 세미나를 주기적으로 주최해 정보의 교류를 활발히 진행할 계획이다.

-기업과의 협력방안과 인력양성 계획은.

텔리오솔라, LG이노텍 등 국내 기업은 진공방식으로 CIGS 박막 태양전지 양산에 다가간 상태다. 인쇄공정 기술개발 자체가 CIGS 태양전지 기술에 미치는 파급효과가 큰 만큼 조만간 센터와 관련 기업과의 연계가 가시화 될 것으로 예상된다. 센터는 교육기관이지만 기업에 기술이전 하는 부분을 인력양성 만큼 많은 관심을 기울이고 있다. 이미 몇몇 졸업생은 기업 연구원과 엔지니어로 종사하고 있다. 이들이 기업의 리딩 엔지니어가 될 것이다.

-정부에 바라는 부분은.

CIGS 박막 태양전지 기술은 장기간의 연구개발을 통해 현재 대량 생산체제 단계에 진입한 기술이다. 일본은 국가의 전폭적 지원을 받으며 연구개발이 이미 오래 전부터 이루어졌고 최근 산업화 단계까지 왔다. 일본 기업이 관련 세계특허 대부분을 차지하고 있다. 정부가 좀 더 적극적으로 중장기 계획을 세우고 CIGS 원천기술 확보에 대한 다년간의 지원을 보장해 준다면 차세대 성장동력으로 국가 경제발전에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

사진-성균관대 산학협력단(뒷줄 오른쪽에서 두번째가 정덕영 교수)