나비 날개, 새 깃털, 나방 눈 등의 광학적 비대칭성에 힌트를 얻어 태양전지로 입사된 빛을 가두어주는 계층적 패턴 기반의 부착형 필름기술이 소개됐습니다. 계층적 패턴이란 10 마이크로미터 크기의 반구 표면에 수백 나노미터 크기의 작은 막대가 촘촘히 세워져 있는 구조를 말하는데요.
경희대학교 응용화학과 고두현 교수와 경희대학교 응용물리학과 김선경 교수 공동 연구팀이 반투명 태양전지에 부착하면 태양전지 효율을 45% 이상 향상시킬 수 있는 자연모사형 광학 비대칭성 필름을 개발했다고합니다. 참고로 반투명 태양전지란 종래 태양전지의 전극을 얇게 하여 투과율을 높인 태양전지. 주로 창호형 에너지원 등에 쓰이고 있습니다.
반투명 태양전지, 빛 손실 많았다
얇은 금속전극 덕분에 투과성이 좋은 반투명 태양전지는 양방향으로 빛이 유입되는 장점이 있지만 그만큼 빛의 손실도 많아 빛으로부터 전기를 전환시키는 광전효율 향상의 한계가 있었습니다. 연구팀은 무반사 등 독특한 광학적 특성을 갖는 나방의 눈 등을 모사하여, 반구 표면에 수백 나노미터 크기의 작은 막대를 촘촘히 배열한 계층적 패턴을 지닌 필름을 고안했습니다.
패턴 위쪽으로 들어오는 빛의 반사를 줄이는 한편 아래쪽으로 투과 되는 빛은 다시 반사시키는 광학적 비대칭 특성을 가진 '빛 가둠 필름'을 개발하고 이를 양방향 반투명 태양전지에 적용시켰습니다. 단순 부착만으로도 태양전지의 위에서 유입되는 빛의 반사는 막고 아래로 유출되는 빛의 반사를 도와 태양전지 내에 머물 수 있는 빛의 양을 늘린 겁니다. 실제 이 필름을 부착하자 반투명 태양전지의 효율이 각각 실외광에서 13.49%, 실내광에서 46.19% 이상 증가했습니다.
빛의 종류(태양광 또는 실내조명)나 조사방향에 관계없이 빛의 흡수율과 효율 모두 높아진 것으로 나타났습니다. 때문에 낮에는 태양광으로 밤에는 실내조명으로 종일 구동이 가능한 태양전지에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다.
한편, 간단한 표면처리로 필름표면을 소수성으로 바꾸면 태양전지 수명저하 요인인 수분과 먼지를 방지할 수 있다는 것도 장점입니다. 건물 창이나 외벽에 쓰일 수 있는 고효율 창호형 태양전지나 디스플레이, 센서 등 각종 광전소자의 효율향상에 도움이 될 것으로 기대됩니다. 이번 연구는 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다.
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