‘슈퍼태양전지’ 상용화 탄력 받는다 … 수명·효율 다 잡는 ‘초록 필름’ 개발돼

UNIST·美피츠버그대, 탠덤전지에 닿는 자외선 막고 가시광선 흡수 늘려

자외선에 취약한 유기물 태양전지·다이오드 응용, 세계적 학술지에 게재

탠덤 태양전지에 적용할 수 있는 다기능성 반사 방지막. 자외선을 흡수하면 초록색으로 변해 태양전지 미관도 개선할 수 있다.

[아시아경제 영남취재본부 김용우 기자] 태양전지 분야에서 광선 흡수를 늘리면서 수명도 높이는 전천후 필름이 개발돼 세계가 주목하고 있다.

실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 올려놓는 방식의 ‘1+1 탠덤 전지’는 몇 년 안에 상용화가 기대되는 차세대 전지다.

효율과 가격경쟁력, 공정 편의성이 탁월해 ‘슈퍼 태양전지’라고도 불린다. 이 전지의 수명과 효율을 동시에 잡을 수 있는 다기능성 필름이 개발돼 상용화 속도에 파란불이 켜졌다.

울산과학기술원(UNIST) 신소재공학과 최경진 교수 연구팀은 자연 태양광에 포함된 자외선을 차단하고, 가시광선의 흡수는 늘리는 다기능성 반사 방지 필름을 개발했다.

유해 자외선이 차단돼 전지 수명은 늘고, 유효 파장 대역인 가시광선의 흡수는 늘어 태양전지가 전기를 만드는 효율이 올라간다.

이번 연구는 미국 피츠버그대학교 이중건 교수팀과 함께했다. UNIST 김찬울 신소재공학부 박사후 연구원과 피츠버그대학교 이성하 기계·재료공학부 박사후 연구원이 제1 저자로 참여했다.

연구팀이 개발한 다기능성 필름은 탠덤 전지 맨 위에 올려 쓸 수 있는 형태다. 자외선을 흡수해 차단하는 형광체 입자와 가시광선 흡수를 늘리는 실리카 입자가 함께 들어있다.

형광체 입자는 자신이 흡수한 자외선을 다시 가시광선으로 바꿔내는 역할도 해서 전지 효율을 추가로 높이고, 전지를 초록색으로 보이게 해 미관을 개선할 수 있다.

탠덤 태양전지 성능 분석 표.

이 반사 방지 필름의 효과는 실험으로 확인됐다. 기존 반사 방지 필름을 쓴 탠덤 태양전지의 효율은 5시간 후 초기 효율의 90%로 수준으로 떨어지다가 20시간 후에는 50% 수준으로 급격하게 줄어든 반면 개발한 필름을 쓴 경우 120시간이 지나도 초기 효율의 91% 이상을 유지했다. 또 초기 효율 자체도 기존 대비 약 4.5% 증가했다.

공동 연구팀은 전산 시뮬레이션을 통해 실리카 나노 입자의 작동 원리도 밝혀냈다. 실리카 나노 입자가 만드는 전방 산란 효과가 형광체 입자의 후방 산란 효과를 상쇄해 가시광선 손실을 줄이는 것으로 드러났다. 후방 산란은 빛을 손실시켜 전지가 흡수하는 빛의 양을 줄이는 요인이다.

탠덤 태양전지는 구조상 자외선에 약한 페로브스카이트가 상층부에서 직사광선에 노출된다. 또 광 반사를 줄이는 기존 표면 처리 기술을 쓰기 어렵다는 문제가 있다.

상용 실리콘 태양전지는 표면에 피라미드형 미세 요철을 만들어 빛 반사를 줄여왔는데, 탠덤 전지는 실리콘 태양전지 위에 액체 페로브스카이트 원료를 올려 만드는 제조 공정 특성상 실리콘 전지 표면이 매끈해야만 하기 때문이다.

연구팀은 “표면에 요철을 만들어 태양 빛 반사를 줄이는 기존 방식과 달리 반사 방지 필름 안에 첨가하는 물질로 유효 파장 대역 흡수 성능을 높인 신기술”이라며 “자외선도 차단할 수 있어 탠덤 전지 상용화뿐만 아니라, 자외선에 약한 유기 태양전지, 유기물 다이오드와 같은 분야에도 응용할 수 있을 것”이라고 전망했다.

연구결과는 기능성 소재분야 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’(Advanced Functional Materials)에 6월 24일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다.

연구 수행은 한국에너지기술평가원의 알키미스트 프로젝트 사업인 ‘35% 슈퍼 태양전지 개발’ 사업 지원으로 이뤄졌다.

(오른쪽부터) 최경진 교수, 김찬울 연구원(제1저자), 노영임 연구원.

영남취재본부 김용우 기자 kimpro7777@asiae.co.kr