검고 딱딱한 기존 실리콘 태양전지를 대체하는 컬러 유연 투명태양전지 기술이 개발됐다. 도심 한복판을 알록달록한 태양전지로 꾸밀 수 있을 날이 머지않았다.
UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과 최경진 교수팀이 실리콘에 미세구멍을 조밀하게 뚫어 유연성을 지닌 투명 태양전지를 개발했다. 이 미세구멍을 착색된 고분자 물질로 채워 넣으면, 색상 조절이 가능하고 고무 수준으로 유연한 컬러 유연 투명태양전지가 완성된다. 태양전지에 쪼여진 빛 중 일부가 미세구멍 내 고분자 물질을 통과해 우리 눈엔 투명한 색상이 보이고, 나머지는 실리콘에 흡수돼 전기가 만들어지는 원리다. 착시 현상 때문에 검은 실리콘은 우리 눈엔 보이지 않는다.
투명태양전지는 건물 외벽, 창문 등에 설치할 수 있어 주목받는 신개념 태양전지다. 기존의 검은 실리콘태양전지 달리와 빛을 투과시켜 건물 등의 미관을 해치지 않기 때문이다.
그림1. 개발된 유연 컬러 투명태양전지
최 교수팀은 이 투명태양전지 기술에 색상과 유연성을 더했다. 특히 딱딱한 실리콘을 이용했음에도 불구하고 유연성이 매우 뛰어나다. 부러지지 않고 쉽게 구부릴 수 있는 구조를 ‘유연한’(ductile) 구조라고 하는데, 원래 무기물인 실리콘은 전혀 유연하지 않다. 실리콘을 구부리면 높은 응력(힘)을 견디지 못해 균열이 잘 생기며, 이 균열은 빠르게 퍼져나가 태양전지가 파손되고 효율이 떨어지게 된다. 이 때문에 곡면 등에 설치가 어려웠다.
연구팀은 실리콘 기판에 수십 마이크로미터(10-6m) 크기의 미세 구멍을 뚫는 새로운 구조를 개발해 이러한 한계를 극복했다. 이 구조는 굽힘 시 응력이 아주 좁은 영역에만 집중돼 구조가 더 유연해지고 균열이 쉽게 전파되지 않으며, 수천 번을구부려도 구조가 깨지지 않았다. 또 미세구멍에 착색된 고분자를 끼워 넣으면 태양전지 색상도 중성에서 녹색, 파란색, 노란색 등 다양하게 바꿀 수 있다.
그림2. 전산시뮬레이션을 통한 기계적 특성 분석
기계적 특성을 분석하는 전산 시뮬레이션을 통해 고분자 재료가 굽힘 동안 응력을 방출해 유연성이 한 층 더 증가한다는 사실도 알아냈다. 교신저자인 최경진 교수는 “이번 연구는 기계적 특성에 대한 전산 시뮬레이션을 유연 태양전지개발에 적용한 매우 새로운 시도”라고 설명했다.
이 컬러 투명태양전지는 유연성이 매우 뛰어나 태양전지를 거의 반쯤으로 굽히는 수준(굽힘 반경 8mm)의 굽힘 테스트를 수백 번 진행한 이후에도, 초기 효율의 95% 이상을 유지했다. 또 태양광 흡수 물질로 실리콘을 썼기 때문에 85oc, 85 %의 습도의 가혹한 환경에서도 1,500시간을 견딜 수 있었다. 무기물인 실리콘은 유연하진 않지만 고온다습한 환경을 잘견디는 장점이 있다.
최 교수는 “건물의 창문 등에 사용될 수 있을 만큼 투명할 뿐만 아니라 유연하고, 색상 조절이 가능해 다양한 응용 분야에 쓸 수 있을 것”이라고 기대했다.
이번 연구는 첨단 기능성 소재 분야의 세계적 학술지인 ‘어드밴스드 펑셔널 머터리얼즈’(Advanced Functional Materials)에 11월 17일 온라인 게재되었다. 연구 수행은 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 나노·미래소재원천기술개발 사업(미래기술연구실 사업) 등의 지원으로 이뤄졌다.
