자연모사한 광학 비대칭성 필름으로 빛 손실 막아
나노패턴 이용한 빛 제어로 양방향 반투명 태양전지 효율 향상 실마리
□ 나비 날개, 새 깃털, 나방 눈 등의 광학적 비대칭성에 힌트를 얻어 태양전지로 입사된 빛을 가두어주는 계층적 패턴 기반의 부착형 필름기술이 소개됐다.
* 계층적 패턴 : 10 마이크로미터 크기의 반구 표면에 수 백 나노미터 크기의 작은 막대가 촘촘히 세워져 있는 구조
□ 한국연구재단(이사장 노정혜)은 고두현 교수(경희대 응용화학과)ㆍ김선경 교수(경희대 응용물리학과) 공동연구팀이 반투명 태양전지에 부착하면 태양전지 효율을 45% 이상 향상시킬 수 있는 자연모사형 광학 비대칭성 필름을 개발했다고 밝혔다.
* 반투명 태양전지 : 종래 태양전지의 전극을 얇게 하여 투과율을 높인 태양전지. 주로 창호형 에너지원 등에 쓰이고 있다.
□ 얇은 금속전극 덕분에 투과성이 좋은 반투명 태양전지는 양방향으로 빛이 유입되는 장점이 있지만 그만큼 빛의 손실도 많아 빛으로부터 전기를 전환시키는 광전효율 향상의 한계가 있었다.
□ 연구팀은 무반사 등 독특한 광학적 특성을 갖는 나방의 눈 등을 모사하여, 반구 표면에 수백 나노미터 크기의 작은 막대를 촘촘히 배열한 계층적 패턴을 지닌 필름을 고안했다.
○ 패턴 위쪽으로 들어오는 빛의 반사를 줄이는 한편 아래쪽으로 투과 되는 빛은 다시 반사시키는 광학적 비대칭 특성을 가진 ‘빛 가둠 필름’을 개발하고 이를 양방향 반투명 태양전지에 적용시켰다.
□ 단순부착만으로도 태양전지의 위에서 유입되는 빛의 반사는 막고 아래로 유출되는 빛의 반사를 도와 태양전지 내에 머물 수 있는 빛의 양을 늘린 것이다.
○ 실제 이 필름을 부착하자 반투명 태양전지의 효율이 각각 실외광에서 13.49%, 실내광에서 46.19% 이상 증가했다.
□ 빛의 종류(태양광 또는 실내조명)나 조사방향에 관계없이 빛의 흡수율과 효율 모두 높아진 것으로 나타났다. 때문에 낮에는 태양광으로 밤에는 실내조명으로 종일 구동이 가능한 태양전지에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.
○ 한편 간단한 표면처리로 필름표면을 소수성으로 바꾸면 태양전지 수명저하 요인인 수분과 먼지를 방지할 수 있다는 것도 장점이다.
□ 건물 창이나 외벽에 쓰일 수 있는 고효율 창호형 태양전지나 디스플레이, 센서 등 각종 광전소자의 효율향상에 도움이 될 것으로 기대된다.
○ 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 중견연구지원사업과 기후변화대응기술개발사업 및 산업통상자원부 에너지기술개발사업 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 9월 26일 게재되었다.
