국내 연구진이 고분자의 광학구조 설계를 통해 다중접합 태양전지의 빛-전기 변환 효율 향상을 확인했습니다. <ACS Applied Materials and Interfaces>에 게재된 논문에 따르면 GIST 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수와 나노종합기술원 강일석 박사 공동 연구팀이 부착 가능하며 유연한 회절격자 필름을 태양전지에 부착해 기존에 사용되지 않는 여분의 빛을 집광하는 데 성공했다고 합니다. 태양광 스펙트럼의 빛 회절 구조를 설계 및 제작하고 효율적인 빛-전기 효율 변환을 위해 가장 적합한 구조임을 밝혔습니다.
태양전지의 근황
태양전지는 햇빛을 전기로 변환해 전력을 생산하는 발전 방식입니다. 태양전지로 빛이 조사됐을 때 음의 전하를 띠고 있는 기본 입자와 양의 전하를 띠고 있는 기본 입자가 형성되며 각각이 양 전극으로 이동하면서 전력을 생성합니다. 초기 셀레늄 원소(Se)를 이용한 태양전지는 1~2% 수준에 불과했지만 최근 들어 다양한 태양전지가 개발되면서 효율은 47%까지 증가했습니다. 또한 얇고 유연한 태양전지로 인해 기존 제한적이었던 활용분야(건물, 자동차과 우주 태양광 발전) 외에도 유연한 소자에도 적용 가능해 여러 생활에서 태양전지의 실사용이 이루어지고 있죠.
이러한 유연태양전지를 제작하기 위해 태양전지의 어레이화가 불가피하며 어레이 형성 시 태양전지 셀 간의 간격이 발생하게 됩니다. 셀 간 간격은 면적 대비 효율의 저하를 일으키죠. 따라서 효율적인 광-전기 변환을 위해 셀 간 간격을 이용하기 위한 빛의 재분배가 필요합니다. 이를 해결하기 위해서는 나노 및 마이크로 크기를 갖는 회절격자를 필름을 태양 전지에 도입함으로써 빛을 효율적으로 집광할 수 있는 광학 구조의 설계가 가능합니다.
참고로 어레이란 동일 종류의 자료 모음에 명칭을 붙여 각 요소에는 첨자를 지정해 각각 식별할 수 있도록 한 데이터 구조로 배열이라고도 합니다. 태양전지의 경우 등에서는 대형 발전시스템으로 하는 경우 복수 개의 태양전지 소자를 직렬 또는 병렬로 결선한 모듈(조립회로)을 파넬화하고 이들 파넬을 다시 복수 개 모아 사용하는데요. 이러한 시스템을 어레이라고 합니다.
어떻게 연구했는가
연구팀은 서로 다른 에너지 띠를 갖는 물질의 삼중접합 태양전지를 활용했습니다. 연구팀이 활용한 태양전지는 단파장에서부터 장파장까지 태양광 흡수 스펙트럼을 고려한 태양전지입니다. 태양에너지 갖는 넓은 파장 영역에서 흡수가 가능합니다. 제작된 고분자의 두께는 수십 ㎛이므로 기존 모듈의 무게는 유지하고 태양전지의 효율은 크게 증가시킬 수 있어 단위 무게 당 생산되는 전력을 크게 향상시킬 수 있었습니다.
연구팀은 태양전지의 흡수율과 광전류 밀도를 확인했습니다. 여기서 광전류(photocurrent)란 반도체에 빛이 조사 됐을 시, 전자 정공 쌍의 형성으로 생성되는 전류를 말합니다. 연구팀은 시뮬레이션을 통해 회절격자가 적층된 태양전지의 흡수율 증가를 확인했으며 광전류 밀도는 기존 태양전지 모듈 대비 10% 증가됨을 확인했습니다.
이번 연구를 주도한 송영민 교수는 "태양전지 어레이 형성 시 불가피하게 발생하는 셀 간 간격을 해결하기 위해 광학구조를 설계 및 제작했으며, 유연하며 부착이 가능한 회절격자 필름은 플렉서블 태양전지에 응용 가능해 향후 태양광을 활용한 다양한 에너지 하베스팅 소자에 널리 활용할 수 있을 것으로 기대된다"고 밝혔습니다.
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