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태양전지 효율 향상 위한 회절격자 집광필름 개발

GIST·나노종합기술원 연구진, 태양광 제어, 태양전지 효율 향상 확인   
국내 연구진이 고분자 광학구조 설계로 다중접합 태양전지의 빛·전기 변환효율 향상을 확인했다. 
 
GIST(총장 김기선)는 송영민 전기전자컴퓨터공학부 교수와 강일석 나노종합기술원 박사 공동 연구팀이 부착 가능하며 유연한 회절격자 필름을 태양전지에 부착해 기존에 사용되지 않는 여분의 빛을 집광하는데 성공했으며, 태양광 스펙트럼의 빛 회절 구조를 설계·제작하고 효율적인 빛-전기 효율 변환을 위해 가장 적합한 구조임을 밝혔다.  

회절격자(Diffraction grating): 주기적인 배열을 갖는 광학구조이며, 빛을 입사시키면 특정 방향으로 분산된 빛의 특성을 갖게 된다. 회절되는 빛은 특정한 각도를 갖고 회절하며, 격자의 배열 및 모양과 입사되는 빛의 파장에 따라 달라진다. 

태양전지는 햇빛을 전기로 변환하여 전력을 생산하는 발전 방식이다. 태양전지로 빛이 조사되었을 때 음의 전하를 띠고 있는 기본 입자와 양의 전하를 띠고 있는 기본 입자가 형성되며 각각이 양 전극으로 이동해 전력을 생성한다.

초기 셀레늄 원소(Se)를 이용한 태양전지는 1~2% 수준에 불과했지만 최근 다양한 태양전지가 개발되면서 효율은 47%까지 증가했다. 또한 얇고 유연한 태양전지로 인해 기존 제한적이었던 활용분야(건물, 자동차과 우주 태양광 발전) 외에도 유연한 소자에도 적용 가능하여 여러 생활에서 태양전지의 실사용이 이뤄지고 있다. 

이러한 유연태양전지를 제작하기 위해 태양전지의 어레이화가 불가피하며, 어레이 형성 시 태양전지 셀 간의 간격이 발생하게 된다. 셀 간 간격은 면적 대비 효율의 저하를 일으킨다. 따라서 효율적인 광-전기 변환을 위해 셀 간 간격을 이용하기 위한 빛의 재분배가 필요하다.

이를 해결하기 위해서는 나노·마이크로 크기를 갖는 회절격자를 필름을 태양 전지에 도입함으로써 빛을 효율적으로 집광할 수 있는 광학 구조의 설계가 가능하다. 

이번 연구에서는 서로 다른 에너지띠를 갖는 물질의 삼중접합 태양전지를 활용했다. 단파장에서부터 장파장까지 태양광 흡수 스펙트럼을 고려한 태양전지로써 태양에너지 갖는 넓은 파장 영역에서 흡수가 가능하다.

제작된 고분자 두께는 수십 마이크로이다. 따라서 기존 모듈 무게는 유지하고 태양전지의 효율은 증가시킬 수 있다. 또 단위 무게 당 생산되는 전력을 향상시킬 수 있다. 시뮬레이션을 통해 회절격자가 적층된 태양전지의 흡수율 증가하고, 광·전류 밀도는 기존 태양전지 모듈 대비 10% 증가한 것으로 확인됐다.   

송영민 교수는 "태양전지 어레이 형성 시 불가피하게 발생하는 셀 간격을 해결하기 위해 광학구조를 설계·제작했다"면서 "유연하며 부착 가능한 회절격자 필름을 플렉시블 태양전지에 응용해 향후 태양광을 활용한 다양한 에너지 하베스팅 소자에 활용할 수 있을 것으로 기대한다"고 말했다.  

연구는 산업통상자원부가 추진하는 한국에너지기술평가원사업과 과학기술정보통신부·한국연구재단의 미래소재디스커버리, 기초연구실(BRL) 사업, GIST Research Institute(GRI) 사업의 지원을 받았다. 

연구결과는 재료·계면 분야 국제학술지 '에이씨에스 어플라이드 머트리얼 앤 인터페이스(ACS Applied Materials and Interfaces)'에 6일자로 게재됐다. 
(a)회절격자가 부착된 태양전지 모식도, (b) 회절격자 필름 유무에 따른 빛 제어, (c)회절격자 필름의 사진과 주사전자현미경 분석.<자료=GIST 제공>(a)회절격자가 부착된 태양전지 모식도, (b) 회절격자 필름 유무에 따른 빛 제어, (c)회절격자 필름의 사진과 주사전자현미경 분석.<자료=GIST 제공>
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