Toshiba는 개발 중인 산화구리(Cu2O) 태양전지를 전시회 “CEATEC 2023(10월 17일~20일)”에 전시했다(그림1). 해당 산화구리 태양전지의 변환효율은 10.3%다. Toshiba는 최근 몇 년 동안 산화구리 태양전지의 변환 효율 10% 실현을 목표로 해왔으며, 이번에 처음으로 목표를 달성했다. 1년 전에는 9.5%였다고 한다.

                    
▲ (그림1) Toshiba가 개발한 최신 산화구리 태양전지(왼쪽)과 실리콘(Si)계 태양전지(오른쪽).
 셀은 125mm×40mm급이며, 셀 10장을 연결해서 모듈로 만들었다. 다만 배선은 없다.

◆변환 효율의 “합산”이 가능해진다

해당 산화구리 태양전지의 특징은 기존 실리콘(Si)계 태양전지 등의 위에 올리는 탄뎀(Tandem)형으로 사용함으로써 변환 효율의 “합산”이 가능하다는 점이다. 구체적으로는 산화구리 태양전지 단독으로 변환효율이 10%, Si계 태양전지의 변환효율이 20%라고 할 때, 전체 변환효율은 10%+20%=약 30%를 전망할 수 있다. 다른 탄뎀형 태양전지는 변환 효율 합산이 불가능하다.

위에 올리는 태양전지가 아래의 태양전지가 사용하고자 하는 빛의 일부를 차단해버리거나, 흐르는 전류가 제한되어버리기 때문이다. 결과적으로 “20%+20%”가 40%가 아니라, 25%가 되는 사례도 적지 않다. Toshiba의 산화구리 태양전지는 빛의 이용 파장이 Si계 태양전지와 중복되는 부분이 적고 투명도가 높기 때문에 탄뎀형을 적용했을 때의 빛의 손실이 적다.

또한 Toshiba는 상하 태양전지를 전기적으로 독립시켜 사용할 방침이기 때문에 전류 정합 상의 제약도 없어 앞서 언급한 “합산”이 가능해졌다.

셀과 모듈의 크기도 매년 확대되고 있으며, 이번에는 125mm×3mm의 셀 소자를 우선 제작하고, 해당 셀 소자 16개를 연결해 제작한 125mm×40mm의 셀(배선 없음), 이를 다시 10장 연결해서 제작한 모듈도 전시했다. Toshiba의 설명에 따르면 “이번에는 투명 전극 측의 제약으로 가늘고 긴 셀 소자를 연결하여 제작했으나, 균일하고 면적이 넓은 투명 전극을 만들 수 있게 되면 셀 소자 하나도 면적을 넓힐 수 있다”고 한다.

◆ 자동차에 적용하면 1일 평균 39km 주행 가능

Toshiba는 이를 Si계 태양전지와의 탄뎀형 태양전지로 만들어서 전기자동차(EV) 등에 적용할 계획이다. 이번에는 모형을 사용한 발전 시연도 선보였다(그림2).

이번에 약 30%의 변환효율을 기대할 수 있게 됨에 따라, 태양광이 닿는 주차장을 이용할 수 있으면 날씨 변화를 고려하더라도 충전 작업없이 1일 평균 39km를 주행할 수 있다는 계산이 나온다고 한다.

일반적인 시내주행용 자동차의 주행거리는 1일 평균 30km 정도이기 때문에, 가정에 EV용 충전설비가 필요하지 않게 된다는 것이다.

  
▲ (그림2) 자동차의 구동 시연. 모형 자동차의 루프에 탄뎀형 태양전지를 적용하고 
빛의 조사(照射)해서 모터가 작동하는(타이어가 움직이는) 모습을 시연했다.

◆ 이론적으로는 탄뎀으로 42.3%

해당 산화구리 태양전지의 성장 가능성이 크다. 이론 상의 산화구리 태양전지 단독 변환효율은 19%다. Si계 태양전지도 탄뎀형은 합산값보다는 낮지만 최대 42.3%가 전망된다고 한다. 이 경우 자동차의 주행거리는 1일 평균 55km가 된다는 계산이 나온다.

남은 해결과제는 넓은 면적의 셀을 양산한 경우의 두께도 포함한 균일성을 확보하는 것이라고 하며, 2025년에 실용화하기 위해 착실히 연구를 진행하고 있는 것으로 보인다.