^*풀컬러(Full Color): 빨강, 초록, 파랑(RGB) 조합을 통해 약 1680만 가지 이상의 색상을 표현할 수 있는 색상

^*페로브스카이트(Perovskite): 결정의 한 형태이며 최근 차세대 태양전지의 광활성(태양광을 받아 전자를 만드는 부분) 소재로 주목받고 있음

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

현재 건축물에는 실리콘 태양전지가 태양광을 직사로 받을 수 있는 건물의 옥상에 위치하여 건물 내의 전력을 공급하는 용도로 사용되고 있다. 실리콘 태양전지의 발전성능은 태양광의 입사각에 크게 영향을 받으므로 하루 중 최적 발전 가능 시간은 3.5시간 정도이다. 그뿐만 아니라 기상상태로 인해 낮은 조도가 형성될 때의 발전성능은 일조량이 많을 때 비해 현저히 감소하는 단점이 있다.

건물의 옥상뿐만 아니라 외벽에도 태양전지를 설치함으로써 발전량을 증대시킬 수 있으리라 기대하지만, 실리콘 태양전지는 입사각 의존도가 높고 색상구현이 어려워 이를 실현하기에 적당하지 못하다.

기존의 차세대 태양전지의 색상구현은 광활성 소재의 흡수 거동을 제어하여 원하는 색상을 구현하려는 노력이 대부분 이었고, 이 경우는 태양광 흡수가 효과적이지 못하여 소자의 광전효율이 급격히 감소하는 단점이 있었다. 따라서 광흡수의 감소를 최소화하면서도 다양한 색상을 구현할 수 있는 새로운 기술의 개발이 필요하다.

2. 연구내용  

연구팀은 서로 다른 굴절률을 지닌 무기소재들을 나노미터 수준에서 다층으로 막을 구성하여 특정한 파장대만을 반사할 수 있는 나노반사필터를 개발하고 이를 페로브스카이트 태양전지에 적용하여 적, 녹, 청색의 태양전지 소자를 제조하는데 성공하였다.

새로 개발된 나노반사필터의 경우 기존의 반사필터에 비해 반사하는 파장의 폭이 매우 좁아 보다 선명한 색의 구현이 가능하다. 또한, 반사의 폭이 좁음으로 인해 소자의 태양광 흡수도 최대화 할 수 있는 장점이 있다.

본 연구에서는 SiO2/TiO2 다층박막층의 두께를 비대칭적으로 구성하여 기생반사를 최소화하고 이로 인해 반사되는 파장대 이외의 파장들은 모두 흡수할 수 있는 특성을 부여하였다. 또한, 자외선 영역대를 모두 반사하여 태양전지소자의 수명을 크게 증대시켰다.

SiO2/TiO2 다층박막으로 된 반사필터를 페로브스카이트 태양전지에 적용하여 광전변환 효율이 ~19%에 이르는 소자를 개발하였으며 이때 반사필터에 의한 효율감소가 ~6% 정도로 색상구현으로 인한 효율감소를 최소화하였다. 또한, 태양전지 소자의 장기안전성도 나노필터의 자외선 차단 효과로 인하여 30% 이상 향상되는 결과를 얻었다.

 3. 기대효과  

태양광의 입사각에 대한 영향이 없고 다양한 색상을 구현할 수 있는 차세대 태양전지의 개발은 건축물에 대한 응용범위를 확대하여 자체적으로 필요전력을 해결할 수 있는 제로 에너지 빌딩의 구현에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

또한, 본연구에서 개발된 나노반사필터의 경우 페로브스카이트 태양전지뿐만 아니라, 다른 유, 무기 박막태양전지에도 적용 가능하여 그 활용도가 높다고 할 수 있다.

[붙임] 용어설명

1. 광전변환효율

태양전지가 조사된 빛에너지를 전기에너지로 바꾸는 효율

2. 페로브스카이트

결정의 한 형태이며 최근 차세대 태양전지의 광활성 소재로 주목받고 있음

3. 나노반사필터

나노미터 두께를 지닌 박막층을 연속적으로 코팅하여 특정 파장을 반사하도록 제조한 필터

4. 제로 에너지 빌딩

빌딩 내 다른 추가적 전력공급 없이 건물에서 생산된 전력이 소비를 모두 충족시킬 수 있는 빌딩

[붙임] 그림설명

그림 1. 풀컬러 페로브스카이트 태양전지의 구조 및 색상발현 (a) 나노반사필터를 지닌 페로브스카이트 태양전지의 구조, (b) 페로브스카이트 태양전지소자의 전자현미경 단면도, (c) 적색 태양전지, (d) 녹색 태양전지, (e) 청색 태양전지. 전지의 색상은 마치 진주처럼 빛의 반사 각도에 따라 일부 변화함.

그림 2. 나노필터의 색상구현 결과. (a) 나노필터의 반사 스펙트럼, 파장의 좁은 영역대를 반사함을 볼 수 있다. (b) 반사 스펙트럼의 color coordinate.