드디어‘투명 실리콘 태양전지’… 유리창에서 전기 생산!

건물이나 자동차 유리창을 태양전지로 대체할 기술이 개발됐다. 시커먼 실리콘 태양전지를 투명한 실리콘 태양전지로 대체해 ‘도심 태양광 발전 시대’를 열 전망이다.

UNIST(총장 이용훈) 에너지 및 화학공학부의 서관용 교수팀은 어둡고 탁한 색을 띠는 ‘결정질 실리콘 태양전지’를 투명하게 만드는 데 처음으로 성공했다. 사람 눈으로는 식별할 수 없는 신개념 마이크로 구조를 적용한 획기적인 결과물이다.

결정질 실리콘 태양전지는 ‘규칙적인 원자배열 구조를 갖는 실리콘’을 ‘광활성층’으로 이용해 전기를 생산한다. 광활성층은 태양광 에너지를 전기에너지로 변환하는(광전변환) 부분인데, 결정질 실리콘의 경우는 광전변환 효율이 높고 안정성도 갖추고 있다. 이 덕분에 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 결정질 실리콘 태양전지가 차지한다. 하지만 실리콘 태양전지는 주로 가시광선 영역의 태양광을 ‘흡수’해 전기 에너지를 생산하기 때문에 투명하게 만들기는 어렵다. 투명한 태양전지가 되려면 가시광선을 모두 ‘투과’시켜야 하기 때문이다.

그림1. (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

서관용 교수팀은 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.

제1저자인 이강민 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “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.

한 발 나아가, 연구진은 새로 개발한 ‘투명 결정질 실리콘’을 이용한 유리 같은 ‘무색투명한 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.

공동 1저자인 김남우 UNIST 에너지공학과 석·박사통합과정 연구원은 “이번에 개발된 투명 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 제조시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가능성이 크다”며 “특히 투명 결정질 실리콘 제작 기술은 태양전지뿐 아니라 다른 실리콘 기반 전자소자를 투명하게 만드는 연구로도 확장될 수 있다”고 기대했다.

그림2. (왼쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼, (오른쪽) 200µm 두께의 상용 결정질 실리콘 웨이퍼 중간 부분에 제작된 무색·투명 결정질 실리콘 기판.

서관용 교수는 “‘결정질 실리콘은 투명할 수 없다’는 고정관념을 깬 매우 의미 있는 연구”라며, “이번에 개발한 태양전지는 투명성뿐 아니라 높은 효율과 옥외사용 안정성 등 투명 태양전지가 필요로 하는 모든 요소를 만족한다”고 강조했다.

이번 연구는 고려대 이승우 교수팀도 공동으로 참여했다. 연구 내용은 세계적 권위의 학술지 셀(Cell)의 에너지 분야 자매지인 ‘줄(Joule)’에 12월 12일자로 공개됐다. 연구 수행은 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원과 과학기술정보통신부 산하 한국연구재단의 지원으로 이뤄졌다.