빛반사 영역 최소화한 ‘나노 필터’로 색상 구현에도 효율 유지
일반적으로 건물 지붕이나 평지에 설치하는 태양광 발전시설을 건물 외벽에도 설치할 수 있는 기술이 개발됐다. 다양한 색상으로 표현할 수도 있어 건축물의 미관을 살리면서 발전 효율도 유지할 수 있다.
울산과학기술원(UNIST)은 에너지화학공학부의 장성연 교수팀과 국민대학교 응용화학부 도영락 교수팀이 외벽에 부착가능한 ‘풀컬러 페로브스카이트 태양전지’를 개발했다고 24일 밝혔다.
연구팀은 특히 태양광 발전에 색상을 도입할 경우 효율이 낮아지는 문제를 해결했다.
태양전지를 특정 색상으로 보이게 하려면 가시광선 일부를 ‘반사’하게 만들어야 한다. 하지만 태양전지는 가시광선을 흡수해 빛에너지를 전기에너지로 만들기 때문에, 가시광선 일부를 반사하면 흡수할 수 있는 파장이 줄어 효율이 떨어진다. 즉 태양전지에 색상을 도입하면 에너지 효율이 낮아진다.
또 상용화된 실리콘 태양전지는 빛이 전지로 들어오는 각도(입사각)의 영향도 크게 받는다. 태양광 시설을 외벽에 설치하면 태양광이 비스듬하게 들어 에너지 효율이 떨어진다.
연구진은 빛 반사 영역을 최소화한 ‘나노 필터’와 입사각의 영향을 받지 않는 ‘페로브스카이트 태양전지’를 이용해 두 문제를 해결했다. 나노 필터는 빛 반사 파장과 각도를 최소화해 태양광이 색상을 띠어도 많은 태양광을 흡수했다. 또 페로브스카이트 태양전지는 태양광 입사각이 달라져도 발전효율 저하가 거의 없다.
나노 필터를 적용한 풀컬러 페로브스카이트 태양전지의 효율은 19%에 이르렀다. 실리콘 산화물(SiO₂)과 타이타늄 산화물(TiO₂)을 겹겹이 쌓은 나노 필터는 빨강, 초록, 파랑을 아우르는 다양한 파장대의 빛 반사가 가능하면서도 그 범위를 매우 좁게(반치폭 30㎚ 이하)로 구현할 수 있다.
이 덕분에 태양전지가 반사로 잃어버리는 빛의 양을 최소화하고 실리콘 산화물과 타이타늄 산화물을 쌓는 방식을 조정해 파장 간섭에 따른 추가적인 반사 현상도 줄였다. 특히 자외선 차단 기능도 추가해 안정성은 더욱 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 건축 분야에서 새로운 수요를 불러일으킬 것”이라고 기대했다.
이번 연구 성과는 나노과학 분야 학술지 'ACS Nano' 10월호에 실렸다.
