빛의 반사와 투과를 막는 ‘빛 가둠’으로 태양전지 성능 향상
반투명 창문부착형 태양전지 효율 최대 46% 향상

국내 연구진이 나비 날개와 새 깃털, 나방의 눈 등을 흉내내 태양전지 효율을 높이는 기술을 개발해 주목받고 있다.

경희대 응용화학과, 응용물리학과 공동연구팀은 나비, 나방, 새 등을 모사한 부착형 필름을 반투명 태양전지에 부착하면 효율을 45% 이상 높일 수 있는 기술을 개발했다고 18일 밝혔다. 이번 연구결과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈’에 실렸다.

반투명 태양전지는 기존 태양전지 전극을 얇게 만들어 투과율을 높인 것으로 주로 창문에 붙여 태양광 발전을 하는데 활용된다. 반투명 태양전지는 금속전극이 얇아 투과성이 좋고 빛이 양방향에서 유입되는 장점이 있지만 빛 손실도 많기 때문에 전기 전환효율(광전효율)이 낮다는 치명적 단점도 갖고 있다.

이에 연구팀은 나비 날개나 새 깃털, 나방 눈이 무반사 같은 독특한 광학적 비대칭성에 힌트를 얻어 10 마이크로미터(㎛) 크기의 반구 표면에 수 백 나노미터(㎚) 크기의 작은 막대를 촘촘히 배열한 계층적 패턴을 가진 필름을 만들었다. 연구팀은 패턴 위쪽으로 들어오는 빛의 반사를 줄이고 아래로 투과되는 빛은 다시 반사시키는 광학적 비대칭성을 통해 빛을 필름 내에 가둔 것이다.

이렇게 개발된 빛 가둠 필름을 양방향 반투명 태양전지에 부착할 경우 한 쪽으로 비추는 빛을 흡수하는 동시에 외부로 반사되는 빛을 막고 뒤쪽으로 통과되는 빛을 다시 반사시켜 태양 전지 안에 머무는 빛의 양을 늘린 것이다.연구팀에 따르면 태양광이든 실내조명이든 빛의 종류는 물론 빛이 쪼여지는 방향에 상관없이 흡수율과 효율이 모두 높아졌다. 즉 낮에는 태양광으로 밤에는 실내조명으로 하루 종일 태양전지에 작동시킬 수 있다는 것이다. 실제로 필름을 부착한 반투명 태양전지 효율은 태양광에서는 13.49%, 실내광에서는 46.19% 증가했다.

필름 표면에 간단한 처리를 하면 태양전지 수명저하의 주요 요인인 물기와 먼지까지 방지할 수 있다고 연구팀은 설명했다.

고두현 경희대 응용화학과 교수는 “이번에 개발한 필름은 하나로 빛 반사와 통과를 막는 2가지 특성을 갖고 있기 때문에 건물 창이나 외벽에 쓸 수 있는 반투명 태양전지로 활용 가능해 심미적 기능 뿐만 아니라 유망한 미래 에너지원으로 쓸 수 있을 것”이라며 “또 디스플레이, 센서 등 각종 광전소자의 플랫폼 기술로도 활용할 수 있을 것”이라고 말했다.

유용하 기자 edmondy@seoul.co.kr