태양광 건물·차량 심미성 높인다…다양한 색 내는 태양전지 개발

한국재료연구원

단일재료를 적층해서 빨강, 초록, 파랑 삼원색을 구현한 투명박막 태양전지. 한국재료연구원 제공.

국내 연구팀이 다양한 반사색을 내면서도 태양전지 효율이 크게 떨어지지 않는 ‘유연기판 투명박막 태양전지’를 개발했다. 

한국재료연구원(KIMS)은 21일 권정대 나노표면재료연구본부 에너지전자재료연구실 책임연구원 연구팀이 이 같은 태양전지를 구현했다고 밝혔다. 

연구팀은 투명전극인 알루미늄을 도핑한 산화아연 재료에 수소를 주기적으로 혼합해 굴절률 차이를 만들어 단일재료로 반사색을 구현하는 기술을 개발했다. 굴절률 차이가 5% 이하로 낮은 다층박막을 설계해 태양전지 소자가 흡수하는 가시광 영역의 반사손실을 최소화했다. 

색상 구현 때문에 태양전지 효율이 떨어지는 기술이 아니기 때문에 다양한 박막 태양전지용 흡수체에 적용할 수 있다. 또, 건물 일체형 태양광(BIPV)이나 차량 일체형 태양광(VIPV) 유연기판 투명박막 태양전지의 심미성을 높일 것으로 보인다. 

지금까지 투명박막 태양전지의 심미성을 개선하는 색상 적용은 굴절률 차이가 큰 재료의 다층 박막화 기술, 광 특성 설계를 위한 색상 제어 박막층 기술, 자연 구조 모방형 구조색 기술 등이 적용돼왔다. 이런 기술은 넓은 반사 대역과 높은 반사도로, 가시광선을 흡수하는 태양전지에 부적합한 데다 구현하기 어렵고 복잡하다.  

연구팀은 일반적인 반도체 및 태양전지 제조 공정에 쓰이는 진공 스퍼터링 증착 방식으로 산화아연 박막을 증착했고, 주기적인 수소 반응으로 굴절률이 다른 다층박막을 만들었다. 다층박막 두께를 조절해 빛의 삼원색을 얻고 태양전지에서 색상을 잘 구현했다. 

단일 재료 기반 다층박막 투명전극은 추가 공정이 필요 없어, 낮은 비용으로 투명박막 태양전지의 다양한 색상과 높은 효율을 구현할 것으로 기대된다. 반사색은 광 필터 역할에서 구현되므로, 이를 필요로 하는 이미지센서, 포토리소그래피용 마스크, 적외선 차폐 등에 적용될 수 있을 것으로 보인다. 
 
지난 3일 국제학술지 ‘케미컬 엔지니어링 저널’에 이 연구를 발표한 권 책임연구원은 “이 기술이 상용화되면 공정상 어려움이 없이 간단하게 광 필터 기술과 고효율 유색·유연기판 투명박막 태양전지를 개발할 수 있다”며 “심미적 특성을 고려한 현대 건축물의 BIPV, 차량 VIPV 시스템을 실현하는 데도 많은 도움을 줄 것”이라고 말했다. 

[문세영 기자 moon09@donga.com]