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나비 날개 광학적 비대칭성 적용 태양전지 효율 높인다
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나비 날개 광학적 비대칭성 적용 태양전지 효율 높인다
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  • 승인 2020.10.18 12:06
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기존 나노 패턴 구조(왼쪽)와 연구로 개발된 계층적 패턴 구조 기반의 필름(오른쪽)에서의 빛 경로를 보여주는 모식도 © 뉴스1


(대전=뉴스1) 심영석 기자 = 나비 날개, 새 깃털, 나방 눈 등의 광학적 비대칭성에 힌트를 얻어 태양전지로 입사된 빛을 가두어주는 계층적 패턴 기반의 부착형 필름기술이 개발됐다.

18일 한국연구재단에 따르면 경희대 응용화학과 고두현 교수·경희대 응용물리학과 김선경 교수 공동연구팀이 반투명 태양전지에 부착하면 태양전지 효율을 45% 이상 향상시킬 수 있는 자연모사형 광학 비대칭성 필름을 개발하는데 성공했다.

연구팀에 따르면 반투명 태양전지는 기존 태양전지의 전극을 얇게 해 투과율을 높여 주로 창호형 에너지원 등에 쓰이고 있다.

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 모사해 반구 표면에 수백 nm 크기의 작은 막대를 촘촘히 배열한 계층적 패턴을 지닌 필름을 고안했다.

패턴 위쪽으로 들어오는 빛의 반사를 줄이는 한편 아래쪽으로 투과되는 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). © 뉴스1

 

 


태양광, 실내조명 등 빛의 종류와 비치는 방향에 관계없이 빛의 흡수율과 효율 모두 높아진 것으로 나타났다.

이에 따라 낮에는 태양광으로 밤에는 실내조명으로 종일 구동이 가능한 태양전지에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

또, 표면처리로 필름표면을 물과의 친화력이 적은 소수성(疏水性)으로 바꾸면 태양전지 수명저하 요인인 수분과 먼지를 방지할 수 있다는 것도 장점이다.

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

한편, 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스’에 9월26일 게재됐다.

 

 


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