국내 대학에서 휘어지는 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 향후 태양전지를 활용한 초경량 무인항공기 개발과 휴대형 전자기기 개발에 적용될 전망이다.
아주대학교는 이재진·허준석 전자공학과 교수 공동연구팀이 유기금속화학 증착장비(MOCVD) 기술을 이용해 갈륨비소(GaAs) 기반 초경량 고효율 태양전지를 제작했다고 22일 밝혔다. 고효율 태양전지 웨이퍼와 새로운 조합의 p타입 전극구조도 개발했다. 개발성과는 네이처지에서 발간하는 싸이언티픽리포트에 지난 7월 말 게재됐다.
아주대 연구팀 성과는 지난 6월 이종호 광주과학기술원(GIST) 교수팀이 유연한 갈륨비소 태양전지 개발에 성공한 데 이은 것이다.
이 태양전지는 얇은 필름형태임에도 높은 효율과 유연성을 지니면서 가벼운 것이 특징이다. 무인항공기와 휴대용 전자기기 등 상용화에도 유리하다.
연구팀 관계자는 “태양전지 무게 가운데 90%를 차지하는 웨이퍼를 떼내 유연하고 가벼운 전지 개발에 성공했다”며 “태양전지 무게를 가볍게 하면서도 효율과 수율을 높인 것이 특징”이라고 말했다.
유연한 태양전지는 지금까지 대부분 유기 소재로 제작됐다. 다만 비용이 저렴한 대신 효율성이 떨어졌다. 연구팀은 효율성을 높이기 위해 대표적인 무기 소재인 갈륨과 비소를 활용했다. 갈륨과 비소가 높은 신뢰성과 변환효율 등 장점을 갖췄기 때문이다.
연구팀은 유연한 기판 위에 증착되는 금속의 스트레스를 이용한 비교적 간단한 ELO(Epitaxial lift-off) 공정을 활용했다. ELO공정은 유연한 갈륨비소 태양전지를 제작하는 일반적인 방법으로 단단한 기판 위에 형성된 반도체 소자를 박막형태로 분리해 유연한 기판에 전사하는 방법이다.
그러면서 고효율 n-on-p 구조를 가진 갈륨비소 태양전지 개발에 성공했다. 갈륨비소 태양전지는 고농도로 덥힌 이미터(p·emitter) 영역과 저농도로 덮인 베이스(n·base) 영역으로 구성된 n-on-p, p-on-n 두 가지 유형으로 나뉜다. 일반적으로 n-on-p 구조 갈륨비소 태양전지가 p-on-n 구조보다 효율이 높다.
n-on-p 구조 태양전지는 양극(p) 타입 전극이 공정 중 불산과 같은 식각용액에 녹아버리는 기술적인 어려움이 있었다. 연구팀은 식각용액에 녹지 않으면서도 낮은 저항값을 가지는 새로운 조합의 p타입 전극을 개발, 이를 태양전지에 성공적으로 적용했다.
반도체 성질을 가하는 에피웨이퍼 과정을 거칠 때 MOCVD에서 만들어진 갈륨비소 기판에 새롭게 개발한 p(양극) 타입 전극을 적용해 유연한 태양전지를 만든 것이다. 전력변환효율이 22.08%로 세계적 수준이다. 유연성, 경량화에도 강점을 지녔다.
문성현 연구원은 “공정에서 사용되는 단단한 갈륨비소 기판은 재사용이 가능해 제조비용도 획기적으로 절감할 수 있다”며 “이는 유연한 태양전지를 상용화는 데 한 발 더 다가섰음을 뜻한다”고 말했다.
연구 논문은 문성현 전자공학과 박사과정 연구원이 제1 저자로 참여했다. 연구는 한국에너지기술평가원 에너지기술개발사업, 교육부 중점연구소 지원사업, 미래창조과학부의 일반연구자지원사업 지원을 받아 진행됐다.
이경민 성장기업부(판교)기자 kmlee@etnews.com
