스마트 윈도우 및 창호형 BIPV 적용을 위한 투명 태양전지의 소재별 특성, 색상 구현 기술 및 향후 발전 방향 doc_id PCY_202003160228025771_2

박막 태양전지는 벌크 형태의 결정질 실리콘 태양전지와 비교하여 다양한 기판 적용이 가능하고 경량화에 유리하며, 유연성과 투명 소자에 적용이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 이러한 박막 태양 전지는 크게 무기소재 기반과 유기소재 기반의 태양전지로 분류할 수 있다. 유기 기반에 비하여 무기 기반의 박막 태양전지는 일반적으로 내구성과 안정성이 뛰어나다는 장점을 가지고 있으나, 진공 장비를 이용한 공정 적용과 어느 정도의 규모를 갖춘 생산시설이 요구된다. 대표적인 무기소재 기반 박막 태양전지는 비정질 실리콘, CdTe, CIGS 소재들이 개발되었으며, 점차 적용분야가 확대될 것으로 예상된다. 실리콘 박막 태양전지의 경우, 결정형 실리콘에 비하여 얇은 광흡수층으로 투명 태양전지로 제작이 용이하여, 투명 소자의 일종인 스마트 윈도우와의 일체형의 구조와 구동에 유리하다. 이러한 무기 박막 태양전지 적용 창호는 안정성이 큰 장점으로 여겨지고 있으나, 창호 적용을 위하여 건축용 창호에서 선호되는 색상 구현이 주요한 요구 사항이 되고 있으며, 투과도 확보, 효율 향상과 함께 주요한 개발 목표가 되고 있다. 실리콘 박막 태양전지의 개발 초기에는 여타 태양전지와 마찬가지로 효율을 높이는 데 초점을 두고 연구가 진행되었기 때문에, 에너지 밴드갭이 높은 비정질 실리콘과 상대적으로 낮은 밴드갭의 미세결정 실리콘 소재의 흡수 파장 차이를 이용하여 직렬로 배열한 탠덤(tandem) 구조 내지는 트리플(triple) 구조로 설계하여 기전력을 높이고, 결과적으로 효율을 높이고자 하였다. 이러한 실리콘 박막 탠덤 또는 트리플 구조 태양전지의 초기 효율은 14~16% 정도를 보이다가, 일부 광열화로 인한 안정화 효율은 최대 13%의 효율을 보이고 있다. 실리콘 박막 태양전지의 모듈 가격은 발전량 1W당 0.2~0.3달러를 형성하고 있는데, 결정질 실리콘 태양전지 제조단가의 급격한 하락으로 가격 측면의 장점이 감소하였으나, 대면적화가 가능하고 유리기판에 직접 형성이 가능한 장점을 투명변색소자와 결합하는 스마트 윈도우에 적합한 방식으로 여겨지고 있다. 스마트 윈도우와 창호형 BIPV에 주로 활용되는 투명 태양전지는 다양한 색상 구현과 같은 미적인 요소가 필수 고려사항이다. 이러한 투명 태양전지를 적용한 스마트 윈도우 또는 창호형 BIPV의 색상은 주로 창호 외부에서 보이는 유리 전면부의 색상 구현이 중요하며, 경우에 따라서는 유리 후면부의 색상도 함께 구현도 가능하다. 색상을 구현할 수 있는 방법의 대표적인 방법은 다음의 방식으로 분류할 수 있다. 첫 번째는 광흡수층의 소재, 두께와 배열을 바꾸는 방법이다. 통상적으로 실리콘 박막을 광흡수층으로 사용하는데, 게르마늄을 혼합하면 그 조성에 따라 에너지 밴드갭뿐만 아니라 굴절률에도 변화를 주어 색상에 변화를 주게 된다. 또한, 두께나 배열을 변화시키면 빛의 간섭에 영향을 주어 색상을 다양하게 조절할 수 있다. 그러나 색상의 변화가 크지 않으면서 태양전지의 특성에도 영향을 주어 선호되지 않는 방법이다. 나아가 다양한 색상을 갖는 스마트 윈도우와 결합된 투명 태양전지 색상의 결정은 광흡수층을 투과한 빛과 반사된 빛의 조합으로 이루어질 수 있으며, 광흡수층, 투명전극 등 다양한 소재의 파장에 다른 굴절률의 값을 바탕으로 광학 시뮬레이션을 시행하여 최종적으로 예상되는 색을 정량적인 지표인 CIE 색좌표로 예상할 수 있다. 실제로 색상을 정의할 때 다소 주관적이 될 수 있으므로 색상 구현 시 이를 정량화하는 동시에 객관화가 요구되며, 시뮬레이션 예측으로 색상 디자인이 훨씬 쉽게 구현된다. 색상은 창호 외부인 전면뿐만 아니라 실내에서 보는 후면의 색상도 중요하며, 외부의 색상과 내부의 색상을 독립적으로 구현할 수 있는 기술 개발도 요구된다. 다양한 색상이 구현되었을 때 예측되는 또 다른 고려사항은 낮과 밤의 색상의 변화이다. 낮에도 태양광의 광량의 변화에 따라 다소 색상의 차이를 보일 수 있는데, 이는 투과광과 반사광의 조합으로 색이 구성되므로 광량의 변화는 색좌표의 변화를 일으킬 수 있다. 용도에 따라서는 하루 중의 색상의 변화가 적게 일어나는 쪽을 수요자가 요구한다면 이에 맞게 설계되어야 하며, 반면에 색상의 극적인 변화를 요구하는 곳에서는 이에 맞는 설계도 고려되어야 한다. 최근 이러한 개구형 투명 태양전지의 시인성을 개선하고자 시감이 우수한 완전투광형 투명 태양전지가 연구되고 있으며, 투과부에서 태양광 발전이 동시에 진행되며 시감이 우수한 장점과 다양한 색상 구현이 가능하여 디자인과 심미적 요소가 중요한 창호형 BIPV 적용이 유리하다. 이러한 완전 투광형 태양전지는 태양전지 양단 모두에 투명전극 적용이 필요하기 때문에 저저항 고투과도의 투명전극이 요구된다. 투명 태양전지는 효율과 투과도를 동시 향상할 수 있는 기술이 매우 중요하며, 모듈 설계 시에도 레이저 스크라이빙 공정에서의 라인 간격이 투명전극의 비저항과 밀접한 관련이 된다. 따라서 바람직하게는 투명전극의 면저항은 통상 10ohm/sq. 이하의 범위에서 가시광선 평균 투과도 85% 이상이 요구되며, 향후 대면적 완전투광형 투명 태양전지를 구현하기 위해서는 1ohm/sq. 이하의 면저항과 80% 이상의 투과도가 요구될 것으로 예상된다. 유기 태양전지를 이용한 전기변색소자는 유기 태양전지를 전기변색소자의 상부와 하부에 각각 구성하여 유기 태양전지로부터 발생한 기전력으로 전기변색소자를 구동하였으며, 유기 태양전지-전기변색소자-유기 태양전지의 3층 구조로 일체화하는 방식도 보고되는 등 유기·하이브리드 소재는 다양한 구조 적용이 가능하다. 유기·하이브리드 소재 적용 태양전지 중에서 급격한 효율 향상으로 주목받고 있는 페로브스카이트 태양전지는 높은 광흡수 계수를 가지며 얇고 투명한 광전 소자를 가능하다. 페로브스카이트의 MoO3 투명전극을 수직으로 공유하여 에너지 수집/저장의 원활한 통합, 색상 조절이 가능한 소자를 구현하였다. 색상은 저장 에너지량과 에너지 소비량을 실시간으로 나타낼 뿐만 아니라 완전 충전 상태에서 장시간 광노출을 방지하여 광전도성을 향상시킬 수 있어서 페로브스카이트 태양전지를 적용한 스마트 윈도우 소자로 활용도 가능하다. 자동차 산업에서도 건축 산업과 더불어 에너지 효율 향상과 편의성 증대를 위해서 태양전지와 스마트 윈도우 적용의 모색이 진행 중이다. 후방 룸미러에 적용된 전기변색 거울이 대표적인 스마트 유리 기술로 후방 차량에서 과도한 광량의 빛의 눈부심으로부터 불편함을 방지하기 위하여 적용된 전기변색 거울은 미국 GENTEX사에서 대부분을 생산 중이다. 자동차의 선루프 등 태양 직사광을 받기에 유리한 위치에 태양전지를 설치하여 자동차 정지 중에 필요한 내부 공기 순환 등의 공조에 이용함과 동시에 스마트 윈도우를 적용한 투과도 조절 기능의 개발도 진행 중이다. 현재 투명 태양전지를 자동차의 선루프에 적용되는 기술은 많이 개발되었으나, 아직은 투과도와 시인성이 낮은 것이 현실이다. 점차 완전투광 형의 투명 태양전지로 기술 개발이 이루어지면 결정질 실리콘 태양전지에서 유기 태양전지, 페로브스카이트 태양전지 혹은 실리콘 박막 태양전지 등으로 개발 중심이 옮겨져야 하며, 이 경우 스마트 윈도우와의 결합된 소자 개발도 가능할 것으로 예상된다.