유연하면서도 투명한 태양전지 개발
유연하면서도 투명한 태양전지 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.01.05 05:50
  • 조회수 1150
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요약

 

유연하면서도 투명한 태양전지가 개발됐습니다. 실리콘 마이크로와이어(Silicon Microwire) 복합체를 이용했습니다. 투명하고 유연한 고분자 소재에 원통 모양의 실리콘 막대가 박혀 있는 구조입니다. 실리콘 막대가 없는 고분자 소재 사이로 가시광선이 통과하므로 우리 눈에는 투명하게 보입니다. 실리콘 막대에서 반사되는 태양광을 조절하게 설계해 효율을 높였다고 합니다. 

'유연'하고 '투명'한 태양전지

 

태양전지가 투명해지면 건물 창문은 물론 전자 장치의투명 기판에서도 전기를 생산할 수 있습니다. 여기에 '유연성'까지 더하면 휴대용이나 웨어러블 장치 등으로 그 범위가 넓어집니다. 

인공태양, 내 손으로...! 출처: AdobeStock
투명한 태양전지,활용도 높아지나. 출처: AdobeStock

햇빛은 물질과 만나면 흡수되거나 투과되거나 혹은 반사됩니다. 태양전지의 경우 태양광이 광활성층에 '흡수'되면서 전기를 생산하는데요. 반면 우리 눈에 투명하게 보이는 물체는 태양광 중 가시광선이 물체를 '투과'한 경우입니다. 따라서 주로 가시광선을 '흡수'하는 실리콘 태양전지를 투명하게 만들면 흡수할 태양광이 줄어 효율이 떨어집니다. 

실리콘 마이크로와이어 복합체의 주사전자현미경 이미지. 출처: UNIST
실리콘 마이크로와이어 복합체의 주사전자현미경 이미지. 출처: UNIST

이러한 한계를 넘기 위해 UNIST 신소재공학부의 최경진 교수팀은 '투명하고 유연한 고분자 기판'과 '특수한 형상으로 제작된 실리콘 막대'를 이용했습니다. 이 태양전지에서는 실리콘 막대가 광활성층 역할을 해 태양광을 흡수하고 전기를 생산합니다. 이 실리콘 막대들은 육안으로 볼 수 없는 간격으로 배치돼 우리 눈에는 투명하게 보입니다. 따라서 새로운 태양전지는 기판 자체의 투명하고 유연한 성질이 그대로 남게 됩니다. 

실리콘 마이크로와이어 복합체의 투명도. 출처: UNIST
실리콘 마이크로와이어 복합체의 투명도. 출처: UNIST

특히 이번 연구에서 실리콘 막대의 형상을 바꿔 투명도는 유지하면서도 빛 흡수를 크게 늘렸습니다. 태양전지에서는 빛의 흡수나 투과 뿐 아니라 반사도 일어납니다. 대부분 반사되는 빛을 이용하지 못하는데 이를 다시 태양전지로 흡수할 구조를 만들었습니다. 실리콘 막대에서 광흡수 메커니즘을 분석한 결과를 토대로 막대 윗부분에서 반사된 빛이 바로 옆 막대에서 흡수되도록 설계한 겁니다. 

 

기존 태양전지 한계 넘어서다

 

잠재적으로 건물, 차량 등에 다양하게 활용될 수 있는 투명 태양전지의 단점으로 그동안 실제로는 매우 제한적으로 응용돼왔습니다. 그런데 이번 연구로 투명 태양전지의 단점을 극복하고 실리콘 마이크로 와이어 복합체 기반 투명 태양전지의 실질적 활용 가능성을 새롭게 제시했습니다. 이번 연구로 개발된 실리콘 마이크로와이어 복합체는 투명 태양전지 뿐 아니라 신축성 있는 태양전지로도 확장 가능해 기존 태양전지의 한계점을 넘어설 새로운 플랫폼 기술입니다. 

최경진 교수 연구팀. 제1 저자인 강성범 연구원(우측). 출처: UNIST
최경진 교수 연구팀. 제1 저자인 강성범 연구원(우측). 출처: UNIST

이번 연구의 제1저자인 UNIST 신고재공학과 석ㆍ박통합과정 연구원은 "이론적인 광흡수 메커니즘을 분석한 결과를 고성능 투명 태양전지 개발에 적용한 새로운 시도"라며 "한번 반사된 빛을 '재활용'하는 구조는 태양전지 전체의 효율을 높였다"고 전했습니다. 

 

최경진 교수는 "기존의 투명 태양전지들은 딱딱한 유리기판 위에 제작돼 응용범위가 제한적"이라며 "이번에 개발한 태양전지는 수십 번의 굽힘 시험을 해도 95% 이상 초기 효율을 유지해 건물이나 차량 유지는 물론 휴대용 전자장치 등에 다양하게 적용될 것"이라고 전했습니다. 이번 연구는 국제학술지 <Light : Science & Applications>에 게재됐습니다. 

 


##참고자료##

 

Kang, Sung Bum, et al. "Stretchable and colorless freestanding microwire arrays for transparent solar cells with flexibility." Light: Science & Applications 8.1 (2019): 1-13.

 

 


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