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재료연구소, 저조도 고효율 반투광형 태양전지 기술 개발
실내에서 태양전지 사용가능 기회 넓혀

[인더스트리뉴스 최홍식 기자] 재료연구소 에너지융합소재연구센터 임동찬 박사 연구팀이 울산대 조신욱 교수, 연세대 이동일 교수, 고등광기술연구소 이창렬 박사와 함께 양자클러스터 입자를 이용해 흐리고 비오는 날 또는 실내의 낮은 광원에서도 정상적인 작동이 가능한 고효율 태양전지 기술을 개발했다.

이번에 개발된 기술은 특히 반투광 특성까지 보유해 건물일체형태양광발전시스템(BIPV) 및 실내 센서 구동 등 다양한 분야에 활용이 가능하다는 장점이 있다. 일반적으로 광량이 적거나 광입사각 또는 곡면이 변화하는 경우 태양전지의 효율이 감소하게 된다. 기존의 플렉시블 태양전지 연구에서는 이러한 사항을 고려하지 않는 경우가 많았다. 이번 연구는 이러한 문제에 주목해 이의 해결방안을 제시하고자 했다. 실제 태양전지를 스마트 공장이나 가정의 거실 등 실내 공간에서 사용할 경우, 태양전지는 광을 일직선으로 마주하고 있지 않거나 편평하지 않은 공간에 설치된다. 이러한 경우 광량과 입사각 차이에 의해 광흡수 효율이 감소하게 된다. 따라서 실제 생활에 적용하기 위해서는 이런 문제를 해결하는 것이 우선이다.

재료 연구소 에너지융합소재연구센터 임동찬 박사 연구팀이 개발한 유연 반투광 유기태양전지 모듈 사진 [사진=재료연구소]

이번에 기술을 개발한 연구팀은 유기태양전지 내부에 원자개수가 조절된 골드 양자 클러스터 입자를 혼합해 유연하면서도 투광도가 높은 유기태양전지를 제작했다. 골드 양자 클러스터는 기본 광 흡수층에서 흡수하지 못하는 잉여의 광을 흡수해 에너지 전이 원리에 의해 광 흡수층의 광 흡수 성능을 향상시켜 준다. 특히 양자 클러스터는 저조도 등 광 흡수 환경 변화의 영향을 적게 받고 높은 양자 효율을 나타내기 때문에 기본 광 흡수층의 광 흡수 특성을 효과적으로 보상해준다.

새로 개발된 기술은 태양전지의 사용분야를 확장시킬 수 있다는 장점을 가진다. 태양전지는 대용량 발전용으로 적용되는 경우가 일반적이며, 최근에는 BIPV 및 실내 사물인터넷 센서 구동용 전원으로 사용하려는 인구가 활발하다. 하지만 기존의 태양전지는 흐리거나 비오는 날, 일출 또는 일몰, 실내 등 광량이 저하된 환경에서는 전압 저하 현상이 발생해 정상적인 작동이 어려웠다. 특히 태양전지의 투광도가 증가할수록 전압 강하 현상이 두드러지기 때문에 BIPV 적용에 큰 문제가 있었다.

사무실 광원(형광등)을 이용한 반투광 유기태양전지 모듈 구동 사진 [사진=재료연구소]

이번 연구는 양자 클러스터를 이용해 저조도 환경 하에서의 전압 강하 현상을 개선하는 방법을 제시한 것이다. 또한 유연한 태양전지 연구과정에서 그동안 간과됐던 곡면 변화에 따른 효율 개선 연구를 새로운 연구 주제로 제시했다는 측면에서 큰 의미를 가진다. 연구책임자인 재료연구소 임동찬 책임연구원은 “이 기술이 상용화되면, 지금까지 실외 또는 맑은 날 조건에서 사용되어 온 기능성 태양전지가 실내 형광등과 같은 낮은 광량의 인공광원을 이용할 수 있게 돼 실내 환경 및 이동전자기기 전원 등으로 사용 범위가 확장될 것이다. 결과적으로 4차 산업의 발전 속도 향상에도 기여할 것으로 보인다”고 전망했다.

한국에너지기술평가원(KETEP)의 신재생에너지 기술 개발 및 산업통상자원부의 수요자연계형기술개발사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구는 나노 소재 및 에너지 분야의 세계적 학술지인 ‘Nano Energy’에 게재될 예정이며, 현재 연구팀은 이 기술을 이용한 사물인터넷 센서 구동 연구 등 후속 연구를 지속적으로 진행하고 있다.

[최홍식 기자 (st@infothe.com)]

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