실내에서도 태양(광) 전지 사용 가능

앞으로 흐리고 비오는 날이나 실내의 낮은 광원에서도 태양전지를 사용할 수 있게 될 전망이다.

재료연구소(소장 이정환, KIMS) 에너지융합소재연구센터 임동찬 박사 연구팀은 울산대 조신욱 교수, 연세대 이동일 교수, 고등광기술연구소 이창렬 박사와 함께 양자클러스터 입자를 이용해 흐리고 비오는 날 또는 실내의 낮은 광원에서도 정상적인 작동이 가능한 고효율 태양전지 기술을 개발했다.

특히 이 기술은 반투광 특성까지 보유해 건물일체형태양광발전시스템(BIPV) 및 실내 센서 구동 등 다양한 분야에 활용이 가능하다는 장점이 있다.

일반적으로 광량(光量)이 적거나, 광입사각(光入射角) 또는 곡면(曲面)이 변화하는 경우 태양전지의 효율은 감소한다.
실제 태양(광)전지를 스마트 공장이나 가정의 거실 등 실내 공간에서 사용할 경우, 태양(광)전지는 광(光)을 일직선으로 마주하고 있지 않거나 편평하지 않은 공간에 설치된다(이 경우 광량, 입사각 차이에 의해 광흡수 효율이 감소). 따라서 실제 생활에 적용하기 위해서는 상기와 같은 문제를 해결해야 한다.

이에 따라 연구팀은 유기 태양전지의 내부에 원자개수가 조절된 골드 양자 클러스터 입자를 혼합해, 유연하면서 투광도가 높은 유기 태양전지를 제작했다.

골드 양자 클러스터는 기본 광 흡수층에서 흡수하지 못하는 잉여의 광을 흡수해 에너지 전이 원리에 의해 광 흡수층의 광 흡수 성능을 향상시켜 준다. 특히 양자 클러스터는 저조도 및 저고도 등 광 흡수 환경 변화의 영향을 적게 받고 높은 양자 효율을 나타내기 때문에 기본 광 흡수층의 광 흡수 특성을 효과적으로 보상해준다.

이번 개발된 기술은 태양전지의 사용분야를 확장시킬 수 있다는 장점이 있다. 태양전지는 대용량 발전용으로 적용되는 경우가 일반적으로 최근에는 BIPV 및 실내 사물인터넷(IoT) 센서 구동용 전원으로 사용하려는 연구가 활발하다.

하지만 기존의 태양전지는 흐리거나 비오는 날, 일출 또는 일몰, 실내 등 광량이 저하된 환경에서는 전압 저하 현상이 발생해 정상적인 작동이 어렵다. 특히 태양전지의 투광도가 증가할수록 전압 강하 현상이 두드러지기 때문에 BIPV 적용에 큰 문제가 될 수 있다.

이번 연구는 양자 클러스터를 이용해 저조도 환경 하에서의 전압 강하 현상을 개선하는 방법을 제시한 것으로 유연 태양전지 연구과정에서 그동안 간과되었던 곡면 변화에 따른 효율 개선 연구를 새로운 연구 주제로 제시했다는 측면에서 그 의미가 크다.

재료연구소 임동찬 책임연구원은 “본 기술이 상용화되면, 지금까지 실외 또는 맑은 날 조건에서 사용되어 온 기능성 태양전지가 실내 형광등과 같은 낮은 광량의 인공광원을 이용할 수 있게 되어 실내 환경 및 이동 전자기기 전원 등 사용 범위가 확장됨으로써, 결과적으로 4차 산업의 발전 속도 향상에 기여하게 될 것”이라고 밝혔다.

이번 연구결과는 나노 소재 및 에너지 분야의 세계적인 학술지인 나노 에너지(Nano Energy)에 게재될 예정이며, 현재 연구팀은 본 기술을 이용한 사물인터넷(IoT) 센서 구동 연구 등 후속 연구도 계속 진행 중이다.