▲ 딱정벌레의 표피구조 및 컬러 페로브스카이트 태양전지의 구조 / 딱정벌레 표피로부터 반사되는 색은 그 표피 내의 나선 구조에 기인한 입사광의 반사에 의한 현상임. 본 연구에서는 딱정벌레 표피의 나선 구조를 액정분자들의 자발적인 조립 현상을 이용하여 형성시켜, 딱정벌레 표면에서의 반사와 같은 효과를 얻을 수 있는 반사필터를 최적화하였고, 이 반사필터와 고효율의 페로브스카이트 태양전지를 일체화하여, 컬러화에 성공하였음.(그림설명 및 그림제공 : 경희대학교 배상욱 대학원생)  © 특허뉴스

대부분의 빛을 반사시켜 잿빛으로 보이는 딱정벌레 표피의 미세구조를 모방, 시커먼 태양전지에 알록달록 색을 입힌 고효율 컬러 유연 페로브스카이트 태양전지가 소개됐다.

한국연구재단은 경희대학교 최석원 교수, 울산과학기술원 송명훈 교수 연구팀이 딱정벌레 표피를 모방한 고효율 색반사 필름을 제작하고, 이를 부착한 건물 일체형 컬러 페로브스카이트 태양전지를 제작했다고 23일 밝혔다.

건물 외벽, 지붕, 창호 등에 적용될 수 있는 건물 일체형 태양전지는 건물의 특색과 도시의 미관 등 심미적 요인도 중요하기에 다채로운 색상의 태양전지 개발 연구가 이뤄져 왔다.

하지만 기존 컬러 태양전지는 태양광 흡수층의 흡수율을 제어하여 효율이 낮아지거나 또는 복잡한 광학설계 및 공정방식으로 인하여 대형화 및 비용절감에 한계가 있었다.

이에 연구팀은 딱정벌레 표피의 미세 나선구조에 의해 나타나는 빛반사 현상을 모사한 색반사 필름을 개발했다. 단일층 액정 소재의 반사율은 이론적으로 최대 50%에 불과하지만 액정의 자가조립을 이용한 나선구조를 유도, 반사율 100%의 초반사 필름을 제작한 것이다.

딱정벌레 표면에서의 높은 반사율이 두 장의 나선구조 층 사이 빛의 편광을 변환시켜주는 또 다른 층을 사이에 둔 삼층 구조에 기인하는 것에 착안하여 반사율 100%의 초반사 필름을 제작한 것이다.

또한 연구팀은 대면적 저비용 제작에 유리한 습식공정 방식으로 이 색반사 필름을 페로브스카이트 태양전지에 적용했다.

연구팀은 현재 17% 내외의 전력 변환효율의 컬러 페로브스카이트 태양전지를 제작한 상태로 향후 가혹한 외부환경에서의 컬러페로브스카이트 태양전지의 신뢰성 확보 연구를 계획하고 있다.

이번 연구의 성과는 에너지 분야 국제학술지 ‘나노에너지(Nano Energy)’에 12월 5일 게재되었다.