[기계신문] 투명 태양전지는 도심형 빌딩의 유리, 자동차 창문 등 다양한 분야에 폭넓게 적용될 수 있어 많은 주목을 받고 있는 차세대 에너지 전환 소자이다. 현재 투명 태양전지는 염료 감응형 태양전지, 유기 태양전지, 그리고 페로브스카이트 태양전지를 중심으로 많은 연구가 진행되고 있다.
그러나 현재 개발 중인 투명 태양전지들은 낮은 광전변환 효율 및 낮은 안정성, 무색 반투명 구현의 어려움 등으로 한계에 직면하고 있다. 최근에는 가시광 영역 파장의 빛은 모두 투과시키고, 적외선(NIR) 영역의 빛만을 이용하여 전기를 생산하는 유리와 같은 무색·투명 태양전지가 개발되었지만, 2% 미만의 매우 낮은 광전변환 효율을 보였다.
그런데 최근 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부 서관용 교수 연구팀이 어둡고 탁한 색을 띠는 ‘결정질 실리콘 태양전지’를 투명하게 만드는 데 처음으로 성공했다. 사람 눈으로는 식별할 수 없는 신개념 마이크로 구조를 적용한 획기적인 결과물이다.
결정질 실리콘 태양전지는 ‘규칙적인 원자배열 구조를 갖는 실리콘’을 ‘광활성층’으로 이용해 전기를 생산한다. 광활성층은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 부분인데, 결정질 실리콘의 경우 광전변환 효율이 높고 안정성도 갖추고 있다. 이 때문에 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 결정질 실리콘 태양전지가 차지한다.
하지만 실리콘 태양전지는 주로 가시광선 영역의 태양광을 흡수해 전기에너지를 생산하기 때문에 투명하게 만들기는 어렵다. 투명한 태양전지가 되려면 가시광선을 모두 투과시켜야 하기 때문이다.
서관용 교수팀은 투명한 실리콘 태양전지를 만들기 위해 실리콘 위에 ‘미세구조’를 도입했다. 이 미세구조는 우리 눈으로 식별하지 못하는 구조로 이뤄졌으며 태양광을 투과한다. 따라서 미세구조가 있는 부분에서는 가시광선을 투과하고, 그렇지 않은 실리콘 영역에서는 가시광선을 포함한 태양광을 흡수하게 된다.
이강민 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “사람은 두 물체와 눈이 이루는 각도가 60분의 1도 이하가 되면 두 물체를 식별하지 못한다”며 “이 원리를 이용해 눈에 보이지 않는 미세구조를 만들었고 실리콘 태양전지도 투명하게 만들 수 있었다”고 설명했다.
아울러 연구팀은 새로 개발한 ‘투명 결정질 실리콘’을 이용해 유리 같은 ‘무색투명한 태양전지’를 완성하고 최고 12.2%의 광전변환 효율을 얻었다. 지금까지 개발된 무색·투명한 태양전지 중 가장 높았다. 광 투과율도 다양하게 조절 가능해 건물의 유리창부터 자동차 선루프까지 다양한 분야에 응용할 수 있다.
김남우 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “이번에 개발된 투명 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 제조시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가능성이 크다”면서 “특히 투명 결정질 실리콘 제작 기술은 태양전지뿐 아니라 다른 실리콘 기반 전자소자를 투명하게 만드는 연구로도 확장할 수 있다”고 설명했다.
서관용 교수는 “‘결정질 실리콘은 투명할 수 없다’는 고정관념을 깬 매우 의미 있는 연구”라며 “이번에 개발한 태양전지는 투명성뿐 아니라 높은 효율과 옥외사용 안정성 등 투명 태양전지가 필요로 하는 모든 요소를 만족한다”고 강조했다.
투명 태양전지는 건물일체형 태양광발전 시스템(BIPV) 및 차량용 태양광(VIPV) 등 다양한 분야에 적용 가능하기 때문에 매우 매력적인 친환경 에너지 변환 소자이지만, 아직까지는 낮은 광전변환 효율, 검증되지 않은 안정성 및 색상 이슈로 인해 아직 연구 초기 단계라는 인식이 지배적이었다.
하지만 이번 연구를 통해 결정질 실리콘을 기반으로 고효율 투명 태양전지가 개발됨에 따라 투명 태양전지의 상용화가 매우 빨라질 것으로 기대된다. 또한, 개발된 결정질 실리콘 기반 투명 기판은 태양전지뿐 아니라, 다양한 결정질 실리콘 기반 전자소자에 응용이 가능할 것으로 예상되어 파급효과가 매우 클 것으로 기대된다.
한편, 고려대 이승우 교수팀이 공동으로 참여한 이번 연구는 한국에너지기술평가원과 한국연구재단 지원으로 이뤄졌으며, 연구 결과는 국제학술지 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지인 ‘줄(Joule)’에 12월 12일자로 공개됐다.
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