'풀컬러 태양전지' 개발…건물 외벽을 스테인드글라스처럼 꾸민다

[아이뉴스24 최상국 기자] 성당 유리창의 스테인드글라스처럼 ‘태양전지’로 건물 외벽을 다채롭게 꾸밀 시대가 멀지 않았다.

24일 UNIST 에너지화학공학부의 장성연 교수팀은 국민대 응용화학부 도영락 교수팀과 공동으로 건축물 외벽에 부착 가능한 ‘풀컬러 페로브스카이트 태양전지’를 개발했다고 발표했다.

연구팀은 빛의 입사각에 영향을 받지 않는 페로브스카이트를 사용해 건물 외벽에도 태양전지를 설치할 수 있도록 하고, 특정 파장대의 빛만 반사하는 나노반사필터를 개발해 태양전지의 효율은 유지하면서도 다양한 색상을 구현할 수 있게 만들었다.

태양전지는 대부분 태양광 파장 중 가시광선을 흡수해 빛에너지를 전기에너지로 바꾼다. 반면 우리가 보는 사물의 색상은 그 사물이 반사하는 가시광선에 의해 결정된다. 만약 태양전지에 색상을 입히려면, 가시광선 일부를 반사하도록 만들어야 하므로 태양전지가 흡수할 수 있는 파장대가 줄어든다. 즉 태양전지에 색상을 구현하면 효율이 낮아지게 된다.

상용화된 실리콘 태양전지는 태양광이 전지로 들어오는 각도(입사각도)에 발전효율의 영향을 받는다. 따라서 건물 외벽처럼 태양광이 비스듬하게 들어오는 장소에는 설치하기 어렵다.

연구팀은 빛 반사 영역을 최소화한 ‘나노 필터’와 입사각의 영향을 받지 않는 ‘페로브스카이트 태양전지’를 이용해 문제를 해결했다. 나노 필터가 빛 반사 파장과 각도를 최소화한 덕분에 태양전지는 색상을 띠면서도 최대한 많은 태양광을 흡수했다. 또 페로브스카이트 태양전지는 태양광 입사각이 달라져도 발전효율 저하가 거의 없어 일정한 효율을 유지할 수 있다. 실제 나노 필터를 적용한 풀컬러 페로브스카이트 태양전지의 효율은 19%에 이르렀다. 현재 세계 최고 수준의 페로브스카이트 태양전지 효율은 25%대다.

나노필터는 실리콘 산화물(SiO₂)과 타이타늄 산화물(TiO₂)을 겹겹이 쌓아 만들었다. 서로 다른 굴절률을 지닌 무기소재들을 나노미터 수준에서 다층으로 막을 구성해 특정한 파장대만 반사하게 만든 것이다. 빨강, 초록, 파랑을 아우르는 다양한 파장대의 빛 반사가 가능하면서도 반사로 잃어버리는 빛의 양을 최소화했다. 실리콘 산화물과 타이타늄 산화물을 쌓는 방식을 조정해 파장 간섭에 따른 추가적인 반사 현상도 줄였다.

또한 나노 필터에 자외선을 차단하는 기능도 추가했다. 자외선이 가진 높은 에너지는 태양전지를 노화시키는 주범인데, 이 부분을 나노 필터로 제거한 것이다. 그 덕분에 태양전지의 안정성도 30%이상 높아졌다.

장성연 교수는 “이번에 개발된 다양한 색상의 태양전지는 매우 선명한 색깔을 구현하면서도 광전변환 효율과 안정성이 높다”며 “건축물 외벽에 적용할 경우 미적 감각을 살리면서 에너지를 생산하는 두 목표를 달성해, 향후 건축 분야에서 새로운 수요를 불러일으킬 것”이라고 기대했다.

한국연구재단과 한국에너지기술평가원의 지원으로 수행된 이 연구는 나노 분야의 권위 있는 학술지인 ‘ACS Nano’ 10월호에 출판됐다.

◇논문명: Stable and Colorful Perovskite Solar Cells Using a Nonperiodic SiO₂/TiO₂ Multi-Nanolayer Filter)

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