중앙대 에너지시스템공학부 강동원 교수팀, 세계 최고 광이용효율의 '투명 태양전지' 개발

- 가시광선 투과율 50% 이상서 광이용효율 6% 돌파…건물 창호 등 상용화 청신호

- 자외선·적외선만 흡수하는 다중 접합 구조 적용…국제학술지 '어드밴스드 머티리얼즈' 게재

[비욘드포스트 이봉진 기자] 중앙대학교와 대구경북과학기술원(DGIST) 공동 연구팀이 사람이 보는 가시광선은 투과시키고 눈에 보이지 않는 자외선과 적외선만 선택적으로 흡수해 전기를 생산하는 투명 태양전지를 개발, 세계 최고 수준의 발전 효율을 입증했다.

기존 투명 태양전지의 물리적 한계를 극복한 이번 성과로 도심형 태양광 발전 상용화에 청신호가 켜졌다.
중앙대는 에너지시스템공학부 강동원 교수팀이 DGIST 고서진 교수팀과의 협업을 통해 '투명 페로브스카이트·유기 모노리틱(monolithic) 탠덤 태양전지'를 개발해 세계 최고 수준의 광이용효율(LUE) 6.04%를 달성했다고 밝혔다.

그동안 투명 태양전지는 투명도를 높이면 빛 흡수량이 줄어 전력 생산 효율이 떨어지고, 반대로 효율을 높이면 불투명해지는 상충 관계가 존재했다.

특히 조망권 확보를 위해 50% 이상의 평균가시광선투과율(AVT)이 요구되는 건물 창호 등에서는 실용적인 성능을 내기 어려워 도심형 태양광 발전 확대의 걸림돌로 지적돼 왔다.
연구팀은 이 문제를 극복하기 위해 자외선 흡수에 특화된 상부 전지(페로브스카이트)와 근적외선 흡수에 강한 하부 전지(유기)를 수직으로 쌓아 올린 '모노리틱 하이브리드 탠덤 구조'를 설계했다.
상부 전지에는 밴드갭을 확장해 전압 손실을 줄이는 기술을, 하부 전지에는 근적외선 수확 효율을 높이는 기술을 각각 적용했다.

이를 통해 가시광선 영역은 통과시키면서 자외선과 근적외선 에너지만 분할 수확하는 파장 선택형 광학 시스템을 구현한 것이다.

결과적으로 개발된 태양전지는 평균가시광투과율(AVT) 55.39%, 광변환효율(PCE) 10.91%, 광이용효율(LUE) 6.04%를 기록했다.

빛 투과율 50% 이상의 투명 태양전지 가운데 광이용효율이 6%를 넘은 것은 이번이 세계 최초다. 페로브스카이트 기반 2중 접합 탠덤 시스템 중 최고 수준인 2.38V의 개방전압(Voc) 특성도 함께 확보했다.

해당 태양전지는 가시광선 영역 투과 특성이 뛰어나 소자 뒤편의 사물이 왜곡이나 흐림 없이 선명하게 보인다는 장점이 있다.

이에 따라 향후 건물 일체형 태양광(BIPV) 창호를 비롯해 자동차 전면 유리, 미래 모빌리티, 스마트 기기 등 공간 제약 없이 다양한 분야의 전력원으로 활용될 전망이다.

과학기술정보통신부 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구 결과는 지난 2월 17일 재료 분야 권위지인 '어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)'에 게재됐다.

연구를 주도한 강동원 중앙대 교수는 "이번 성과는 투명 태양전지가 단순히 빛을 통과시키는 수준을 넘어 실제 건물 창호나 자동차 유리창에서 실용적인 전력을 생산할 수 있음을 보여준 사례"라며 "도심형 에너지 생산과 제로에너지빌딩 구현을 앞당길 수 있는 기반 기술이 될 것"이라고 밝혔다.

bjlee@beyondpost.co.kr