우리나라의 전통 문창호구조를 응용한 신개념의 종이 태양전지가 국제 기술진에 의해 세계 최초로 개발됐다.
한국전기연구원(원장 김호용) 창의원천연구본부 이동윤·차승일 박사팀은 나노기술과 섬유기술을 접목해 가볍고 마음대로 구부릴 수 있고, 다양한 형상으로 제작이 가능하며 가격도 저렴한 새로운 형태의 유연(flexible) 염료감응 태양전지를 개발하는데 성공했다고 28일 밝혔다.
KERI은 유연성이 없는 기존 실리콘 태양전지나 유리기판 및 금속기판을 사용해 유연성은 있으나 굽힘에 한계가 있는 박막태양전지의 한계를 극복한 것으로, 특히 내구성과 통기성을 동시에 지닌 한국의 전통적 문창호 구조를 지닌 것이 특징이라고 말했다.
새로운 구조의 태양전지는 기존의 ‘유연 태양전지’가 갖던 기술적 한계를 극복했다. 기존 유연태양전지가 기판을 포함한 소재와 구조의 문제로 유연성에 한계가 있고, 이 박사팀이 새로 개발한 태양전지는 금속격자, 세라믹종이와 나노섬유를 사용 구조를 개선해 가볍고 내구성이 있으며, 종이처럼 구부러지는 특성을 지니고 있다. 아울러 가격이 저렴하고, 모바일 기기나 건물의 창문 등에 부착하거나 의복에도 탈부착이 가능해 새로운 태양전지 시장을 열 것으로 기대되고 있다.
최근 태양광 발전 분야에서 이용하던 태양광발전소가 토지의 과대한 이용 문제나 환경적 요인으로 설치가 제한을 받고 있어 중국의 저가 공세에 따라 국내외 시장의 확대에 큰 걸림돌 이였다.
원자력에 의존하는 국내 에너지시장을 대체할 신재생에너지원으로 태양전지의 사용을 확대하는데 큰 장벽이 되고 있으며. 이를 극복하기 위해서는 건물에 쉽게 설치가 가능하거나, 자동차를 포함한 모바일 기기 및 해양용과 같은 다양한 목적 사용이 가능해 뛰어난 기능성인을 갖춘 새로운 태양전지의 개발이 절실하다. 이번에 KERI 연구팀이 개발한 종이형 유연태양전지는 이러한 요건을 모두 만족하고 있어, 다양한 모바일 기기와 건물용, 군사용, 해양용 등 다양한 목적으로 사용이 가능해 시장 확대가 기대되고 있다.
나노 세라믹 종이, 중앙집중형 설계로 문제 해결
기존의 유연태양전지는 기판의 한계 때문에 굽힘 반경이 30cm이상으로 내구성도 문제이며, 염료감응 태양전지의 경우 나노 티타니아(titania. 산화타이타늄)가 입자로 구성돼 굽힘을 받을 때 균열이 발생해 내구성에 취약한 점이 있다.
연구팀은 기존의 문제점을 나노 티타니아 입자의 형태가 아닌 긴 섬유로 뽑아 활용해 전통 한지와 같은 나노종이를 만드는데 성공했다. 이렇게 제조된 나노종이는 내구성이 있고 자유로이 휘는 것이 가능해 근본적으로 균열의 문제를 해결해 기존의 플라스틱 기판을 없애기 위해 스테인레스 강선의 표면을 특수처리해 한지의 문살에 해당하는 도전성(전기가 통하는 성질) 금속메시를 제작했다,
또한 액체전해질이 마음대로 퍼져나가지 않으면서도 태양전지의 강도를 유지할 수 있도록 유리섬유로 만든 유리종이를 부착했다. 이렇게 만들어진 각 부품을 모두 연구팀이 특수하게 제작한 세라믹접착제를 이용해 접합함으로 최종적인 기판이 필요 없고, 내구성이 우수하고 마음대로 굽히는 것이 가능한 태양전지 제작에 성공했다.
연구팀은 이번 연구성과와 관련해 4건의 특허를 출원했으며 해당 기술성과는 에너지 환경분야의 세계 저명 학술지인 ‘에너지 앤 인바이런먼털 사이언스(Energy and Environmental Science)’의 이슈논문으로 선정돼 무료 공개되고 있다. 또한 영국왕립화학회에서 발간하는 ‘케미스트리 월드(Chemistry World)’에도 소개되어 해외 학계의 많은 관심을 받고 있다.
전기연구원은 현재 10년 이상의 연구개발 경험을 통해 국내 염료감응 태양전지 분야를 선도하고 있으며, 2004년 세계 최초로 탄소나노튜브를 이용한 염료감응 태양전지의 개발에 성공해 3건의 기술을 기업에 이전했다. 연구팀은 이번에 개발한 기술을 한층 발전시켜 양산화에 유리한 신공정 및 소재의 개발을 진행 중이며, 조기에 기업에 기술을 이전할 계획이다.
양산화에 성공하면 태양전지의 가격은 와트당 0.5달러(0.5$/W)로 기존의 Si 태양전지의 절반 이하가 될 것으로 추정되며, 효율은 상용화가 가능한 3% 수준을 넘어 최대 5%까지 가능할 것으로 예상된다.
