UNIST(총장 이용훈)는 최경진 신소재공학과 교수 연구팀이 이중건 미국 피츠버그대 교수 연구팀과 자연 태양광에 포함된 자외선을 차단하고 가시광선 흡수를 늘리는 다기능성 반사 방지 필름을 개발했다고 17일 밝혔다. 

연구팀이 개발한 다기능성 필름은 탠덤 전지 맨 위에 올려 쓸 수 있는 형태다. 탠덤 전지는 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 태양전지를 올려 놓는 방식으로 2~3년안에 상용화가 기대되고 있다.

개발한 필름에는 자외선을 흡수해 차단하는 형광체 입자와 가시광선 흡수를 늘리는 실리카 입자가 함께 들어있다. 특히 형광체 입자는 자신이 흡수한 자외선을 다시 가시광선으로 바꿔내는 역할도 해서 전지 효율을 추가로 높이고, 전지를 초록색으로 보이게 해 미관을 개선할 수 있다.

연구팀은 실험을 통해 이번에 개발한 필름을 쓴 탠덤 태양전지 효율이 120시간 후에도 91% 이상 유지하는 것을 확인했다. 기존 반사 방지 필름을 쓴 탠덤 태양전지 효율이 5시간 후 90%수준으로 떨어지다가 20시간 후에는 50%로 급격히 떨어지는 것에 비해 높은 효율을 유지하는 것이다. 

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 손실을 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 상용화뿐만 아니라, 자외선에 약한 유기 태양전지, 유기물 다이오드와 같은 분야에도 응용할 수 있을 것"이라고 내다봤다. 

이번 연구는 한국에너지기술평가원의 알키미스트 프로젝트 사업인 '35% 슈퍼 태양전지 개발' 사업의 지원으로 이뤄졌다. 제1저자로는 김찬울 UNIST 신소재공학부 박사후 연구원과 이성하 피츠버그대 기계·재료공학부 박사후 연구원이 참여했다. 결과는 기능성 소재분야의 국제 학술지인 '어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’(Advanced Functional Materials)에 6월 24일 온라인 공개돼 정식 출판을 앞두고 있다.