빛을 가둬 태양전지 효율 끌어올렸다

경희대 고두현·김선경 교수, 광학비대칭 필름 개발
양방향 유기태양전지에 붙여 전기전환 효율 개선

광학적 비대칭 특성을 가진 빛 가둠 필름을 양쪽에 부착한 '반투명 태양전지' 구조로 실제 창문에 설치하는 적용 사례이다. 연구 개발된 필름은 계층적 구조와 반투명 태양전지의 결합으로 입사 되는 빛을 효율적으로 태양전지의 흡수 매개체 내에 가둘 수 있다. 경희대 고두현 교수 제공

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 빛을 가둬 반투명 유기태양전지의 광전환 효율을 높일 수 있는 필름을 개발했다. 이 필름을 붙인 태양전지는 기존 효율보다 최대 45% 이상 향상됐다.

한국연구재단은 경희대 응용화학과 고두현·응용물리학과 김선경 교수 공동연구팀이 나비날개를 모방해 들어온 빛을 반사하지 않고 가둘 수 있는 필름을 개발했다고 18일 밝혔다.

연구진이 개발한 '빛 가둠 필름'은 패턴 위쪽으로 들어오는 빛의 반사를 줄이고 아래쪽으로 투과 되는 빛은 다시 반사시키는 광학적 비대칭 특성을 가지고 있다. 또 이 필름은 간단하게 표면처리해 소수성으로 바꾸면 태양전지 수명저하 요인인 수분과 먼지를 방지할 수 있다고 연구진은 설명했다.

이 필름을 양방향 반투명 태양전지에 부착한 결과 반투명 태양전지의 효율이 각각 실외광에서 13.49%, 실내광에서 46.19% 이상 증가했다. 태양전지 위에서 유입되는 빛의 반사는 막고 아래로 유출되는 빛의 반사를 도와 태양전지 내에 머물 수 있는 빛의 양을 늘린 것이다.

고두현 교수는 이날 "필름 안으로 들어온 빛을 가두는 광학적 현상이 재미있었고 이를 태양전지에 붙여보니 효율이 높아졌다"고 말했다.

연구진은 무반사 등 독특한 광학적 특성을 갖는 나방의 눈 등을 주목했다. 반구 표면에 수백 나노미터 크기의 작은 막대를 촘촘히 배열한 계층적 패턴을 지닌 필름을 고안했다.

유기 태양전지의 앞면과 뒷면에 이 필름을 붙인뒤 광전환 효율 실험을 진행했다. 실험결과 광전환 효율은 실내 LED 1000lux를 사용했을때 1.93%에서 3%, 실외 태양빛을 사용했을 6.5%에서 7.8%까지 올라갔다.

계층적 구조 패턴 기반의 필름이 유기 태양전지에 도입될 경우, 전극에서 반사되는 빛은 계층적 패턴에 의해 새롭게 반사가 크게 발생한다. 이는 매개체로 빛의 경로를 새롭게 제공하게 돼 흡수 매개체에서의 빛의 흡수 양을 상당히 증가시키고 이로부터 최종적으로 효율 향상이 이어지게 된다. 경희대 고두현 교수 제공

반투명 유기태양전지는 얇고 건물 창호나 벽면에 붙여 도심내 다양한 곳에 사용할 수 있다는 장점때문에 다양한 연구가 진행되고 있다. 고 교수는 "이 필름이 유기태양전지의 특성 중 창문에 적용해 안팎을 볼 수 있다는점은 사리질 수 있지만 앞뒤면을 모두 이용해 전기를 생산할 수 있다는 강점은 최대로 끌어올릴 수 있다."고 설명했다.

연구진은 건물 창이나 외벽에 쓰일 수 있는 고효율 창호형 태양전지나 디스플레이, 센서 등 각종 광전소자의 효율향상에 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 이번 연구 성과는 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈'에 9월 26일 게재됐다.

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monarch@fnnews.com 김만기 기자

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