▲ 기존 나노 패턴 구조(왼쪽)와 연구로 개발된 계층적 패턴 구조 기반의 필름(오른쪽)에서의 빛 경로를 보여주는 도식도 / 기존 나노패턴과 계층적 패턴 기반의 필름이 도입될 경우, 일어나는 광학적 특성을 보여준다. 빛이 매개체의 방향으로 입사하게 되면, 매개체 표면에서 반사 1(외부반사)와 매개체로의 투과가 일어난다. (왼쪽) 기존 나노패턴의 경우, 흡수 매개체에서 흡수되지 못하여 전극에서 반사되는 빛의 대부분은 나노패턴을 통해 다시 공기중으로 투과가 일어나게 되어 빛의 효과적인 흡수가 일어나지 못하게 된다. (오른쪽) 계층적 구조 패턴 기반의 필름이 도입될 경우, 전극에서 반사되는 빛은 계층적 패턴에 의해 새롭게 반사 2(내부반사)가 크게 발생한다. 이는 매개체로 빛의 경로를 새롭게 제공하게 되어 흡수 매개체에서의 빛의 흡수 양을 상당히 증가시키고 이로부터 최종적으로 효율 향상이 이어지게 된다. / 출처 : 경희대학교 응용화학과 부교수 고두현  © 특허뉴스

반투명 유기 태양전지는 유기 태양전지의 가격이 저렴하고, 가볍고, 대면적으로 제작이 가능하다. 또 양방향에서의 빛의 조사로 종일 구동이 가능하다. 이러한 장점으로 건물의 외벽 등 기존 실리콘 태양전지로는 불가능했던 새로운 응용 분야에 적용이 가능한 차세대 에너지원이다.

기존 태양전지는 광활성층이 미처 흡수하지 못한 빛을 전극에서 재반사시켜 광활성층으로의 빛의 흡수를 도와주었다. 하지만 반투명을 위해 얇게 공정한 금속 전극으로 인해 반사 능력이 떨어져 종래의 태양전지에 비해 효율이 저하된다.

따라서 부족한 광활성층으로의 빛을 극복하기 위한 전략이 필요하다.

이러한 시기, 나비 날개, 새 깃털, 나방 눈 등의 광학적 비대칭성에 힌트를 얻어 태양전지로 입사된 빛을 가두어주는 10 마이크로미터 크기의 반구 표면에 수 백 나노미터 크기의 작은 막대가 촘촘히 세워져 있는 구조인 계층적 패턴 기반의 부착형 필름기술이 소개됐다.

한국연구재단은 경희대 응용화학과 고두현 교수·경희대 응용물리학과 김선경 교수 공동연구팀이 종래 태양전지의 전극을 얇게 하여 투과율을 높인 태양전지로 주로 창호형 에너지원 등에 쓰이고 있는 반투명 태양전지에 부착하면 태양전지 효율을 45% 이상 향상시킬 수 있는 자연모사형 광학 비대칭성 필름을 개발했다고 18일 밝혔다.

얇은 금속전극 덕분에 투과성이 좋은 반투명 태양전지는 양방향으로 빛이 유입되는 장점이 있지만 그만큼 빛의 손실도 많아 빛으로부터 전기를 전환시키는 광전효율 향상의 한계가 있었다.

연구팀은 무반사 등 독특한 광학적 특성을 갖는 나방의 눈 등을 모사하여, 반구 표면에 수백 나노미터 크기의 작은 막대를 촘촘히 배열한 계층적 패턴을 지닌 필름을 고안했다.

패턴 위쪽으로 들어오는 빛의 반사를 줄이는 한편 아래쪽으로 투과 되는 빛은 다시 반사시키는 광학적 비대칭 특성을 가진 ‘빛 가둠 필름’을 개발하고 이를 양방향 반투명 태양전지에 적용시켰다.

단순부착만으로도 태양전지의 위에서 유입되는 빛의 반사는 막고 아래로 유출되는 빛의 반사를 도와 태양전지 내에 머물 수 있는 빛의 양을 늘린 것이다.

실제 이 필름을 부착하자 반투명 태양전지의 효율이 각각 실외광에서 13.49%, 실내광에서 46.19% 이상 증가했다.

▲ 빛 가둠 필름을 양쪽에 부착한 반투명 태양전지의 구조 (왼쪽) 및 카메라를 통해 촬영한 실제 이미지 (오른쪽) / 출처 : 경희대학교 응용화학과 부교수 고두현   © 특허뉴스

빛의 종류(태양광 또는 실내조명)나 조사방향에 관계없이 빛의 흡수율과 효율 모두 높아진 것으로 나타났다. 때문에 낮에는 태양광으로 밤에는 실내조명으로 종일 구동이 가능한 태양전지에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

한편 간단한 표면처리로 필름표면을 소수성으로 바꾸면 태양전지 수명저하 요인인 수분과 먼지를 방지할 수 있다는 것도 장점이다.

건물 창이나 외벽에 쓰일 수 있는 고효율 창호형 태양전지나 디스플레이, 센서 등 각종 광전소자의 효율향상에 도움이 될 것으로 기대된다.

이번 연구의 성과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)에 9월 26일 게재되었다.