車 선루프에서 전기생산… 건물·자동차 유리용 '투명 태양전지’ 개발

머니투데이

류준영 기자

실리콘 기판 모형도 및 전기적 성질/자료=UNIST<br><br>(왼쪽) 200µm 두께의 무색·투명 결정질 실리콘 기판, (오른쪽 위) 투명 결정질 실리콘 기판의 모형도, (오른쪽 아래) 무색·투명 결정질 실리콘 기판을 이용하여 제작된 투명 태양전지의 전류밀도-전압 특성 그래프

왼쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼, (오른쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼 중간 부분에 제작된 무색·투명 결정질 실리콘 기판/사진=UNIST

건물이나 자동차 유리창을 태양전지로 대체할 기술이 개발됐다.

울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 서관용 교수팀은 어둡고 탁한 색을 띠는 ‘결정질 실리콘 태양전지’를 투명하게 만드는 데 성공했다고 12일 밝혔다.

결정질 실리콘 태양전지는 규칙적인 원자배열 구조를 갖는 실리콘을 ‘광활성층’으로 이용해 전기를 생산한다.

광활성층은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는 부분이다. 결정질 실리콘의 경우, 광전변환 효율이 높고 안정성도 갖추고 있다.

현재 태양전지 시장의 90% 이상을 결정질 실리콘 태양전지가 차지한다. 하지만 실리콘 태양전지는 주로 가시광선 영역의 태양광을 흡수해 전기 에너지를 생산하기 때문에 투명하게 만들기는 어렵다. 투명한 태양전지가 되려면 가시광선을 모두 투과시켜야 하기 때문이다.

실리콘 기판 모형도 및 전기적 성질/자료=UNIST<br><br>(왼쪽) 200µm 두께의 무색·투명 결정질 실리콘 기판, (오른쪽 위) 투명 결정질 실리콘 기판의 모형도, (오른쪽 아래) 무색·투명 결정질 실리콘 기판을 이용하여 제작된 투명 태양전지의 전류밀도-전압 특성 그래프

연구팀은 투명한 실리콘 태양전지를 만들기 위해 실리콘 위에 ‘미세구조’를 도입했다. 이 미세구조는 우리 눈으로 식별하지 못하는 구조로 이뤄졌으며 태양광을 투과한다. 따라서 미세구조가 있는 부분에서는 가시광선을 투과하고 그렇지 않은 실리콘 영역에서는 가시광선을 포함한 태양광을 흡수하게 된다.

연구팀은 “사람은 두 물체와 눈이 이루는 각도가 60분의 1도 이하이면 두 물체를 식별하지 못한다”며 “이 원리를 이용해 눈에 보이지 않는 미세구조를 만들었고, 실리콘 태양전지도 투명하게 만들 수 있었다”고 설명했다.

연구진은 새로 개발한 ‘투명 결정질 실리콘’을 이용한 유리 같은 ‘투명한 태양전지’를 완성하고, 최고 12.2%의 광전변환 효율을 얻었다. 지금까지 개발된 무색·투명한 태양전지 중 가장 높았다. 광 투과율도 다양하게 조절 가능해 건물의 유리창부터 자동차 선루프까지 다양한 분야에 응용할 수 있다.

서 교수는 “이번에 개발한 태양전지는 투명성뿐 아니라 높은 효율과 옥외사용 안정성 등 투명 태양전지가 필요로 하는 모든 요소를 만족한다”고 강조했다. 이번 연구는 고려대 이승우 교수팀도 참여했다. 이번 연구성과는 국제학술지 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지인 ‘줄(Joule)’에 게재됐다.