이승우 교수팀, 무색의 유리같은 투명 태양전지 개발 성공

세계적 에너지 학술지 'Joule'에 논문 발표

UNIST 와의 공동 연구, KU-KIST  스쿨프로젝트 지원 결과

▲이승우 교수(왼쪽), 김광진 석박사통합과정생(오른쪽) 

KU-KIST 융합대학원 이승우 교수팀은 UNIST 서관용 교수팀과 공동연구를 통해, 무색의 유리와 같은 투명한 태양전지를 개발하는데 성공했다.

이번 연구 결과는 12월 10일 세계적인 에너지 학술지인 'Joule'紙에 출판됐다.

- 저자정보: 이강민/김남우 (공동1저자, UNIST), 김광진 (공동1저자, 고려대학교), 이승우 (교신저자, 고려대학교), 서관용 (교신저자, UNIST), 외 공동저자 5명 (총 10명)

- 논문명: Neutral-Colored Transparent Crystalline Silicon Photovoltaics
- 논문게재지: Joule (2019년 12월 10일 online published, https://www.cell.com/joule/fulltext/S2542-4351(19)30538-0)

 
태양전지는 일반적으로 투명하기 어렵다. 태양전지가 빛을 잘 흡수해야만 전기 에너지로의 변환 효율이 높게 되는데, 빛을 잘 흡수한다는 건 반대로 빛이 투과하지 못한다는 뜻이다. 실리콘과 같이 태양전지로 널리 쓰이는 물질이 투명하지 않은 이유이다. 하지만 최근 지구 온난화 위기 및 재생에너지의 중요성이 부각되면서 자동차/건물/항공기의 창문과 같이 보다 일생생활과 밀접한 장치/건물로의 태양전지 집적이 중요해지고 있다. 이는 반대로 투명하지 않았던 태양전지의 투명화 그리고 유리와 같은 무색화가 기술적으로 중요해지고 있다는 뜻이다.

기존에 흔히 사용하던 투명태양전지 제작 방법은 빛을 흡수하는 전기생산층의 두께를 박막화 하는 것이었다. 하지만 이는 마치 비눗방울의 얇은 물 층이 빛의 파동 간섭효과를 일으켜 무지개 빛을 내듯, 박막화를 통한 색생화를 동반하기 때문에 유리와 같은 태양전지 제조가 어렵다. 이러한 빛의 파동에 기반한 광학 현상을 “나노광학(Nanophotonic) 현상”이라 부른다. 연구팀은 나노광학 현상을 피하면서도 무색 투명성을 가질 수 있는, “레이광학(Ray-Optic) 이론”에 근거한 새로운 실리콘 무색 투명 구조를 디자인했다. 초규모의 전산시뮬레이션을 통해 가시광선 파장 보다 훨씬 큰 100 μm 정도의 hole이 박막이 아닌 200 μm두께의 결정질 실리콘에 주기적으로 배열되어 있을때, 나노광학 현상에 기반한 회절 효과가 상당부분 상쇄되며, 그 결과 색상화 없이 모든 태양광 대역 빛이 투과할 수 있음을 확인한 것이다.

더불어 태양전지의 한계 해석 방법인 Schockley-Queisser (S-Q)이론을 도입하여 이렇게 디자인된 무색/투명 실리콘 태양전지의 빛 흡수율이 이론 한계치에 도달할 수 있음을 입증했다. 이승우 교수팀은 S-Q이론을 태양전지 해석에 적용하여 국제 학술지에 발표하고 있는 국내 유일의 연구팀이다. 이를 기반으로 제작된 무색/투명 실리콘 태양전지가 기존의 투명태양전지들 중에서 가장 높은 효율을 달성할 수 있는 이론적 토대를 마련했다. 연구결과는 투명한 모든 유리를 태양전지로 대체할 수 있는 토대를 마련한 것이며, 태양 기반 재생에너지 기술에 큰 파급력을 미칠 것으로 예상된다.  이번 연구는 KU-KIST 스쿨 프로젝트의 지원 아래 수행됐다.

[ 그 림 설 명 ]

 
[그림 1] 무색-투명 실리콘 이론 디자인. 태양광을 완벽히 흡수하는 200 μm 두께의 실리콘이라고 하더라도, 가시광선 파장 대역 보다 훨씬 큰 hole이(100 μm) 주기적으로 뚫려 있으면 반사(A)나 회절(B)없이 태양광이 대부분 투과할 수 있다(C).

[그림 2] 무색-투명 실리콘 태양전지. 왼쪽은 일반 200 μm 두께의 결정질 실리콘. 태양광 빛이 투과할 수 없다. 오른쪽은 레이광학(Ray-Optic) 이론으로 디자인한, 같은 두께의 무색-투명 결정질 실리콘.

커뮤니케이션팀 서민경(smk920@korea.ac.kr)