일반 결정질 실리콘 기판과 투명 실리콘 기판 비교.(사진 = UNST 제공)
건물이나 자동차 유리창을 태양전지로 대체할 기술이 개발돼 도심 태양광 발전 시대가 열릴 전망이다.
유니스트(UNIST, 울산과학기술원, 총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부 서관용 교수팀은 어둡고 탁한 색을 띠는 '결정질 실리콘 태양전지'를 투명하게 만드는 데 처음으로 성공했다고 12일 밝혔다.
이는 사람 눈으로는 식별할 수 없는 신개념 마이크로 구조를 적용한 결과물이다.
결정질 실리콘 태양전지는 '규칙적인 원자배열 구조를 갖는 실리콘'을 '광활성층'으로 이용해 전기를 생산한다.
광활성층은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는(광전변환) 부분이다.
결정질 실리콘 경우는 광전변환 효율이 높고 안정성도 갖추고 있다.
이 덕분에 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 결정질 실리콘 태양전지가 차지한다.
UNIST 에너지 및 화학공학부 서관용 교수.(사진 = UNIST 제공)
하지만 실리콘 태양전지는 주로 가시광선 영역의 태양광을 흡수해 전기 에너지를 생산하기 때문에 투명하게 만들기는 어렵다.
투명한 태양전지가 되려면 가시광선을 모두 투과시켜야 한다.
서관용 교수팀은 투명한 실리콘 태양전지를 만들기 위해 실리콘 위에 미세구조를 도입했다.
이 미세구조는 우리 눈으로 식별하지 못하는 구조로 이뤄졌으며 태양광을 투과한다.
이에 따라 미세구조가 있는 부분에서는 가시광선을 투과하고 그렇지 않은 실리콘 영역에서는 가시광선을 포함한 태양광을 흡수하게 된다.
제1저자인 이강민 연구원은 "사람은 두 물체와 눈이 이루는 각도가 60분의 1도 이하이면 두 물체를 식별하지 못한다"며 "이 원리를 이용해 눈에 보이지 않는 미세구조를 만들었고 실리콘 태양전지도 투명하게 만들 수 있었다"고 말했다.
연구진은 또 새로 개발한 투명 결정질 실리콘을 이용한 유리 같은 '무색투명한 태양전지'를 완성했다.
이를 통해 최고 12.2%의 광전변환 효율을 얻었는데, 지금까지 개발된 무색·투명한 태양전지 중 가장 높다.
광 투과율도 다양하게 조절 가능해 건물의 유리창부터 자동차 선루프까지 다양한 분야에 응용할 수 있다.
사진 왼쪽부터 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 김남우 · 이강민 연구원(사진 = UNIST 제공)
공동 1저자인 김남우 연구원은 "번에 개발된 투명 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 제조시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가능성이 크다"고 말했다.
서관용 교수는 "'결정질 실리콘은 투명할 수 없다'는 고정관념을 깬 매우 의미 있는 연구다. 이번에 개발한 태양전지는 투명성뿐 아니라 높은 효율과 옥외사용 안정성 등 투명 태양전지가 필요로 하는 모든 요소를 만족한다"고 강조했다.
이번 연구는 고려대 이승우 교수팀도 공동으로 참여했다.
연구 내용은 세계적 권위의 학술지 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지인 '줄(Joule)'에 공개됐다.