달리는 자동차 유리창을 태양전지로···전기 생산 길 열렸다

일반 결정질 실리콘 태양전지 기판(왼쪽)과 울산과학기술원의 개발한 투명 실리콘 기판 비교. [사진 울산과학기술원]

 국내 연구진이 자동차나 건물의 유리창을 태양전지로 바꿀 수 있는 기술을 개발했다. 울산과학기술원(UNIST) 에너지 및 화학공학부의 서관용 교수팀은 짙푸른 불투명 실리콘 태양전지를 투명하게 만드는 데 세계 최초로 성공했다고 12일 밝혔다. 일반 유리창에 비해 조금 어두운 정도이지만, 광전변환 효율이 기존 실리콘 태양전지의 절반을 넘는 12.2%에 달해, 건물이나 달리는 자동차의 유리창을 태양전지로 바꿔 전기를 생산할 수 있는 길이 열린 셈이다.

결정질 실리콘 태양전지는‘규칙적인 원자배열 구조를 갖는 실리콘’을‘광(光) 활성층’으로 이용해 전기를 생산한다. 광활성층은 태양광 에너지를 전기에너지로 바꿔주는 역할을 하는데, 실리콘의 경우는 광전변환 효율이 높고 안정성도 갖추고 있다. 이 덕분에 현재 태양전지 시장의 90% 이상을 실리콘 태양전지가 차지한다. 하지만 실리콘 태양전지는 주로 가시광선 영역의 태양광을 이용해 전기 에너지를 생산하기 때문에 투명하게 만들기는 어렵다. 투명한 태양전지가 되려면 가시광선을 모두 투과시켜야 하기 때문이다.

서관용 교수팀은 투명한 실리콘 태양전지를 만들기 위해 실리콘 위에 ‘미세구조’를 도입했다. 이 미세구조는 인간의 눈으로 식별하지 못하는 구조로 이뤄졌으며 태양광을 투과한다. 따라서 미세구조가 있는 부분에서는 가시광선을 투과하고, 그렇지 않은 실리콘 영역에서는 가시광선을 포함한 태양광을 흡수하게 된다.

울산과학기술원 연구팀이 개발한 무색·투명 결정질 실리콘 기판을 이용해 만든 투명 결정질 실리콘 태양전지는, 20%의 투과도에서는 12%가 넘는 매우 높은 광전변환 효율을 보였으며, 50%의 투과도에서도 7%가 넘는 광전변환 효율을 보였다. [사진 울산과학기술원]

제1저자인 이강민 UNIST 에너지공학과 석ㆍ박사통합과정 연구원은“사람은 두 물체와 눈이 이루는 각도가 60분의 1도 이하이면 두 물체를 식별하지 못한다”며 “이 원리를 이용해 눈에 보이지 않는 미세구조를 만들었고, 실리콘 태양전지도 투명하게 만들 수 있었다”고 설명했다.

연구진은 새로 개발한 ‘투명 결정질 실리콘’을 이용한 유리 같은 ‘무색투명한 태양전지’를 완성하고 최고 12.2%의 광전변환 효율을 얻었다. 지금까지 개발된 무색ㆍ투명한 태양전지 중 가장 높았다. 광 투과율도 다양하게 조절 가능해 건물의 유리창부터 자동차 선루프까지 다양한 분야에 응용할 수 있다.

공동 1저자인 김남우 UNIST 에너지공학과 석ㆍ박사통합과정 연구원은 “이번에 개발된 투명 태양전지는 기존 실리콘 태양전지 제조시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가능성이 크다”며 “특히 투명 결정질 실리콘 제작 기술은 태양전지뿐 아니라 다른 실리콘 기반 전자소자를 투명하게 만드는 연구로도 확장될 수 있다”고 기대했다.

서관용 교수는 “‘결정질 실리콘은 투명할 수 없다’는 고정관념을 깬 매우 의미 있는 연구”라며, “이번에 개발한 태양전지는 투명성뿐 아니라 높은 효율과 옥외사용 안정성 등 투명 태양전지가 필요로 하는 모든 요소를 만족한다”고 강조했다.

이번 연구결과는 세계적 학술지 셀의 에너지 분야 자매지인‘줄(Joule)’에 12월 12일자로 공개됐다.

최준호 기자 joonho@joongang.co.kr