[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

태양전지는 빛을 흡수해서 전기를 생산하는 장치다. 고투명도를 얻기 위해서는 빛을 투과시켜야 하기 때문에 전기를 생산하면서도 투명도를 얻기 위해서는 필연적인 절충점이 있어야 한다. 가장 일반적인 방법은 광흡수 물질의 밴드갭 엔지니어링1)으로, 물질의 밴드 갭을 조절해 가시광선의 파장 (400㎚~800㎚)의 일부만 투과하고 나머지를 흡수해서 전기를 생산하도록 설계하는 것이다. 이 경우, 흡수된 빛을 제외한 나머지가 투과돼 투명태양전지 자체가 착색되어 보이는 단점이 있다. 또한, 대부분의 투명 태양전지들은 딱딱한 유리기판 혹은 실리콘 기판을 기반으로 제작되기 때문에 활용도가 제한적이다. 이 연구에서는 실리콘 구조의 기계적 특성을 분석하여 미세구멍이 있는 유연한 실리콘 구조를 제작하고, 미세구멍에 착색된 고분자 막을 삽입하는 방식으로 제작 되었으며, 미세한 구멍에 채워진 고분자막을 통해 빛이 투과되고, 실리콘에서는 빛이 흡수되어 전기를 생산하는 방식으로 구동되는 유연하고 색상 조정이 가능한 투명한 태양전지를 고안했다.

2. 연구내용

본 연구팀이 제안한 투명 태양전지 제조 기술은 다음과 같다. 노광 공정2) 을 통해 실리콘 박판에 금속 패턴을 형성하고, 이를 식각 마스크 3)으로 하여 건식 식각 4)를 수행하였다. 그 결과로 미세한 구멍이 생성된 실리콘 구조를 제작하였고, 그 후, 투명 또는 유색 유기 고분자막을 미세한 구멍에 채워넣어 투명태양전지를 제작하였다.

본 연구팀은 유한차분시간영역법5)을 이용하여 미세구멍이 있는 실리콘의 고체역학적 특성을 조사하고 유연하고 투명한 실리콘 구조를 설계 및 도입하였다. 그 결과, 미세 구멍 내부의 고분자 물질이 유연성을 더욱 증가시키는 것으로 관찰되었다.

연구팀이 개발한 투명 태양전지는 빛이 구멍을 통과해 투명하게 보이며, 실리콘 물질에 흡수된 빛은 전기를 생산하는 구조를 가지고 있으며, 또한 실리콘 내부의 구멍은 응력을 분산시켜 유연성을 높인다. 그로 인해 균열이 더 커질 수 없으며 굽힘 후에도 장치가 파손되지 않은 상태로 유지된다.

제작된 투명태양전지가 높은 장기 안정성과 내구성을 가지는 것을 확인했다. 고분자막이 삽입된 투명 태양전지는 85oc, 85 %의 습도에서 1500시간이 자니도 초기성능을 유지했으며, 굽힘 반경 8mm로 수백 번의 굽힘 테스트를 진행한 이후에도, 초기 효율의 95% 이상을 유지했다.

3. 기대효과  

건물, 차량, 휴대형 전자기기 등에 활용될 수 있는 장점이 있어 주목받고 있는 투명 태양전지는 낮은 효율, 장기 안정성 부재, 태양전지의 강성으로 인해 적용 범위가 매우 제한적이다. 다양한 색상을 띄는 실리콘 기반의 투명 태양전지는 기존의 고정된 색상과 유연성이 떨어지는 단점을 개선하고, 중성색 또는 유색의 투명하고 유연한 특성을 나타내어 투명 태양전지의 실용화 가능성을 제시하였다.

본 연구에서 개발한 투명태양전지는 기존 태양전지의 한계를 극복할 수 있는 새로운 플랫폼 기술이다. 또한, 본 연구에서 규명한 실리콘의 기계적 성질은 고성능 투명 태양전지 및 실리콘 기반 광학소자 개발의 길잡이로 활용될 것으로 기대된다.

[붙임] 용어설명

1. 밴드갭 엔지니어링(band gap engineering)

원자 내 전자가 가질 수 있는 에너지 레벨이 모여서 띠처럼 영역을 형성하는데 이를 에너지 밴드라 한다. 이때 전자가 존재할 수 없는 에너지 간격이 존재하며, 이를 밴드갭이라고 한다. 밴드갭의 간격에 따라 흡수할 수 있는 파장이 다른데, 광흡수체의 성분을 바꾸거나 도핑 방법 등으로 밴드갭을 조절하는 공정을 밴드갭 엔지니어링이라고 한다.

2. 노광공정(photolithography)

빛을 이용해 감광액이 코팅된 실리콘 웨이퍼에 일정한 패턴을 만드는 기술이다.

3. 에칭 마스크(etching mask)

식각을 막는 용도로 만들어진 금속 박막이며, 이 부분을 제외하고 식각이 이루어지므로 실리콘 등의 형상을 제어할 수 있게 한다.

4. 건식 식각(dry etching)

가스나 플라즈마를 이용해 실리콘을 깎아 내는 공정 

5. 유한차분시간영역법

수치전자계 해석 방법 중 하나로, 맥스웰(Maxwell)의 기본 전자방정식에 나타나는 공간 및 시간에 관한 미분항을 차분항으로 바꿔서 계산하는 방식으로 다양한 물리적 현상에 대한 예측 및 원리를 계산하는 데 사용된다.

[붙임]  그림설명

그림1. 색상이 조절된 컬러 투명 태양전지

그림2. 전산시뮬레이션을 통한 기계적 특성 분석. 구조에 따른 최소 굽힘 반경 (a) 실리콘 박판, (b) 미세한 구멍 구조의 실리콘 및 (c) 미세한 구멍에 고분자 막이 삽입된 실리콘 (스케일 바: 1cm). 굽힘 상태에서 각 구조별 응력 분포 전산 시뮬레이션. 왼쪽 막대는 응력의 크기; (d) 실리콘 박판, (e) 미세한 구멍 구조의 실리콘 및 (f) 미세한 구멍에 고분자 막이 삽입된 실리콘. 일반 실리콘 박막의 경우 높은 힘(응력)이 구조 내부에 생성됨을 볼 수(붉은색) 있다.

그림3. 개발한 태양전지의 안정성. (a) 굽힘 상태에서 유연하고 투명한 태양 전지의 J-V 곡선 (파란 선) (b) 반복적인 굽힘 주기에 따른 효율 변화 (검은 선; 굽힘 반경 12 mm, 빨간 선; 8 mm) (c) 개발한 유연 투명태양전지의 장기 안정성 (빨간 선; 고분자 막이 삽입된 투명태양전지, 검은 선: 고분자막이 없는 경우)