빛이 있는 곳이라면 더 이상 배터리 충전을 걱정할 필요가 없게 됐다. 태양전지와 리튬이온 배터리가 한 몸을 이룬 전원(에너지 소자)이 개발된 덕분이다. 이 전원은 태양광뿐 아니라 실내조명 아래에서도 작동해 빛만 있으면 어디서든 전자기기를 이용하게 해준다. 빛이 없는 상황에서도 배터리로 전자기기를 작동시킬 수 있다. 프린팅 방식으로 얇게 만드는 기술이라 활용범위도 넓다.
에너지 및 화학공학부의 이상영-서관용 교수팀은 에너지 생산과 저장이 동시에 가능한 ‘태양전지-배터리 일체형 모바일 전원(에너지 소자)’을 개발했다. 고효율 결정질 실리콘 태양전지 모듈 위에 고체형 리튬이온 배터리를 박막으로 프린트하는 방식으로 만든 소자다. 현재까지 보고된 일체형 에너지 소자 중 최고 수준의 광충전 효율(7.61%)을 구현했다.
이상영 교수는 “배터리의 고질적인 문제인 사용시간 증대와 충전 문제를 동시에 해결할 수 있는 기술”이라며 “태양광 아래에서는 배터리의 에너지 밀도와 출력 밀도가 높기 때문에 소형 전자기기는 물론 전기자동차용 보조 에너지원으로도 활용할 수 있을 것”이라고 전망했다.
일체형 에너지 생산/저장 소자의 구조. 소형 실리콘 태양전지 모듈 전극과 고체형 리튬이온 배터리가 알루미늄 집전체를 통해 상호 공유된 구조다.
이번에 개발한 일체형 에너지 소자는 태양전지와 배터리는 알루미늄 판을 하나의 모체처럼 공유하면서 일체화된다. 알루미늄 판이 태양전지의 전극이자 배터리의 집전체(集電體)로 쓰이는 구조다. 외부 전선으로 둘을 연결하는 기존 방식과 달리 에너지 손실 없이 배터리 충전이 가능하다.
이를 위해 서관용 교수팀은 후면전극형 태양전지를 설계해 무손실 결정질 실리콘 태양전지 모듈을 구현했다. 단일 태양전지를 연결해 태양전지 모듈을 만들다 보면 에너지 손실이 생기는데 후면전극형 설계로 이를 막은 것이다. 또 단일 실리콘 기판에 형성된 소형 태양전지들의 배열을 그대로 이용해 모듈을 제조함으로써 공정을 단순화했다.
실리콘 기판 위에 형성된 소형 태양전지를 배열한 그대로 투명 폴리머에 올려서 고정시킴으로써, 별도의 태양전지 배열 과정이 필요 없다. 또한 금속전극이 모두 한 면에 위치해 태양전지 사이의 직렬 연결이 용이하다.
이상영 교수팀은 프린팅 기술을 이용해 결정질 실리콘 모듈 위에 고체형 배터리를 안정적으로 집적했다. 고체 형태인 음극, 전해질, 양극을 순서대로 인쇄해 배터리를 만든 것이다. 이를 통해 태양전지와 배터리를 연결할 때 발생하는 저항과 공간 손실을 최소화시켰으며, 최종 소자의 소형․박막화가 가능했다.
개발된 태양전지-배터리 일체형 에너지 소자는 신용카드 안에 삽입할 정도로 얇았고, 장착된 LED도 켤 수 있어 휴대용 전원으로 활용할 수 있음을 보였다. 태양광 아래에서는 단 2분 만에 배터리 충전이 가능했으며, 태양광보다 조도가 10배 낮은 실내조명에서도 충전이 가능했다. 또 60℃의 높은 온도에서도 안정적인 에너지 생산과 저장 능력을 구현할 수 있었다.
태양광 아래에서 2분 내에 급속 충전되며, 실내조명에서도 충전 가능하다. 오른쪽은 스마트 카드에 삽입돼 모바일 전원으로 사용 가능함을 보여준다.
이상영 교수는, “태양전지-배터리 일체형 에너지 소자를 얇게 만들고, 태양광 아래서는 별도 충전 없이 배터리를 계속 사용할 수 있다는 점이 가장 주목할 부분”이라며 “스마트폰 등 모바일 전자기기의 사용 시간과 충전에 대한 문제를 동시에 해결할 수 있는 원천기술을 확보했다”고 개발 의의를 설명했다.
이번 연구는 미래창조과학부의 ‘신진연구지원사업’, ‘기본연구지원사업’, ‘중견연구자(도약)지원사업’ 및 웨어러블 플랫폼소재 선도연구센터의 지원으로 진행됐다. 연구 성과는 ‘에너지 및 환경 과학(Energy&Environmental Science)지’ 4월호 표지논문으로 출판될 예정이다. 에너지 및 환경 과학지는 영국왕립화학회(Royal Society of Chemistry)에 의해 발행되는 세계적인 권위지다.
