[지금은 과학] ‘슈퍼 태양전지’ 수명은 늘리고 효율은 높이고

[아이뉴스24 정종오 기자] 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 올려놓는 방식의 ‘1+1 탠덤 전지’는 2~3년 안에 상용화가 기대되는 차세대 전지로 꼽힌다. 효율, 가격경쟁력, 공정 편의성이 뛰어나 ‘슈퍼 태양전지’라고도 부른다. 이 전지의 수명과 효율을 동시에 잡을 수 있는 다기능성 필름이 개발돼 상용화에 청신호가 켜졌다.

유니스트(UNIST, 총장 이용훈) 신소재공학과 최경진 교수 연구팀은 자연 태양광에서 포함된 자외선을 차단하고 가시광선의 흡수는 늘리는 다기능성 반사 방지 필름을 개발했다. 유해 자외선이 차단돼 전지 수명은 늘고 유효 파장 대역인 가시광선의 흡수는 늘어 태양전지가 전기를 만드는 효율이 올라가는 셈이다.

연구팀이 개발한 다기능성 필름은 탠덤 전지 맨 위에 올려 쓸 수 있는 형태다. 자외선을 흡수해 차단하는 형광체 입자와 가시광선 흡수를 늘리는 실리카 입자가 함께 들어있다. 특히 형광체 입자는 자신이 흡수한 자외선을 다시 가시광선으로 바꿔내는 역할도 한다. 전지 효율을 추가로 높이고, 전지를 초록색으로 보이게 해 미관을 개선할 수도 있다.

이번에 개발된 반사 방지 필름의 효과는 실험으로도 확인됐다. 기존 반사 방지 필름을 쓴 탠덤 태양전지의 효율은 5시간 후 초기 효율의 90%로 수준으로 떨어지다가 20시간 후에는 50% 수준으로 급격하게 줄어든 반면 개발한 필름을 쓴 경우 120시간이 지나도 초기 효율의 91% 이상을 유지했다. 또 초기 효율 자체도 기존 대비 약 4.5% 증가했다.

공동 연구팀은 전산 시뮬레이션을 통해 실리카 나노 입자의 작동 원리도 밝혀냈다. 실리카 나노 입자가 만드는 전방 산란 효과가 형광체 입자의 후방 산란 효과를 상쇄해 가시광선 손실 줄이는 것으로 드러났다. 후방 산란은 빛을 손실시켜 전지가 흡수하는 빛의 양을 줄이는 요인이다.

탠덤 태양전지는 구조상 자외선에 약한 페로브스카이트가 상층부에서 직사광선에 노출된다. 또 광 반사를 줄이는 기존 표면 처리 기술을 쓰기 어렵다는 문제가 있다. 상용 실리콘 태양전지는 표면에 피라미드형 미세 요철을 만들어 빛 반사를 줄여왔는데, 탠덤 전지는 실리콘 태양전지 위에 액체 페로브스카이트 원료를 올려 만드는 제조 공정 특성상 실리콘 전지 표면이 매끈해야만 하기 때문이다.

연구팀은 “표면에 요철을 만들어 태양 빛 반사를 줄이는 기존 방식과 달리 반사 방지 필름 안에 첨가하는 물질로 유효 파장 대역 흡수 성능을 높인 신기술”이라며 “자외선도 차단할 수 있어 탠덤 전지 상용화뿐 아니라 자외선에 약한 유기 태양전지, 유기물 다이오드와 같은 분야에도 응용할 수 있을 것”이라고 내다봤다.

이번 연구는 미국 피츠버그대 이중건 교수팀과 함께했다. UNIST 김찬울 신소재공학부 박사 후 연구원과 피츠버그대 이성하 기계·재료공학부 박사 후 연구원이 제1 저자로 참여했다.

연구결과(논문명: Improving Light Absorption in a Perovskite/Si Tandem Solar Cell via Light Scattering and UV-Down Shifting by a Mixture of SiO2 Nanoparticles and Phosphors) 는 기능성 소재분야의 국제학술지 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’(Advanced Functional Materials) 6월 24일자 온라인에 실렸다.