▲ 유타 대학의 연구진은 태양 전지의 효율을 50% 까지 향상 시킬 수 있는 투명한 플라스틱 또는 유리로 만들어진 박막 층을 디자인했다..

여러 파장의 태양빛을 모두 흡수하지 못해 낮았던 태양전지 효율을 획기적으로 향상시킨 부품이 개발됐다.

미국 유타 대학 연구진은 50%까지 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 투명한 플라스틱 박막 층을 고안했다고 밝혔다.

‘폴리크로매트’라고 불리는 이 박막층은 태양 패널의 덮개 유리에 통합될 수 있다. 현재 고효율 태양 전지는 제조환경이 까다로워 매고 비싸기 때문에 화성 탐사선과 같은 우주·국방 용도로만 쓰이고 있다.

연구진은 태양 빛을 여러 색으로 분리시킬 수 있는 저렴한 광학 부품을 만들어냈다. 태양전지의 기본원리는 태양에서 빛을 흡수해 전기로 변환시키기 때문에 무제한의 에너지원천으로 무한한 잠재력에도 불구하고 에너지 공급비중이 낮다.

연구진이 디자인한 폴리크로매트(polychromat)는 가로, 세로가 50㎜×10㎜에 3㎛의 홈이 있어서 입사되는 빛을 분리한다.

태양전지는 전력변환 효율이 33.5%라는 이론적 한계를 가지고 있었다. 이는 태양빛이 자외선, 가시광선, 적외선에 이르는 다양한 파장의 빛으로 구성돼 있고 파장이 다르면 서로 다른 에너지의 포톤을 방출하기 때문에 모든 종류의 포톤 흡수가 어려웠던 것이다.

따라서 기존 태양전지는 단지 매우 좁은 파장의 빛만 선택적 흡수하고 다른 파장 에너지는 전혀 흡수되지 않거나 폐열로 변환됐다.

연구진이 고안한 폴리크로매트를 광전 디바이스의 상단에 놓으면 광전 디바이스가 태양 빛에 노출되면서 전압을 발생시킨다. 두 개의 흡수층으로 이루어진 광전 디바이스에서 갈륨 인듐 인화물(GaInP)은 가시광선을 흡수하고 갈륨 비소(GaAs)는 적외선을 흡수한다.

여기에 폴리크로매트가 추가되자 전력 효율은 16% 증가했다. 일반적인 태양전지에서도 박막층을 하나 추가하는 것만으로도 이같은 흡수가 일어날 수 있고 가격을 높이지 않으면서 전반적인 공정 효율은 증가시킬 수 있다.

연구진은 8개의 다른 흡수층으로 이루어진 태양전지에 놓인 폴리크로매트를 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 원하는 거의 모든 빛을 선택할 수 있었다. 이론적 효율이 50%에 도달할 수 있음을 보여줬고 패널 디자인에 더 많은 유연성을 줄 수 있게 됐다.

연구진은 폴리크로매트를 밝고 효율적인 LCD 디스플레이, 휴대전화 전력효율 향상, 낮은 조도에서 카메라 성능향상 등 다양한 분야에 응용할 수 있다고 설명했다.

연구를 이끈 Peng Wang 과 Rajesh Menon은 “저렴한 태양전지 설치를 위한 태양 프로그램 커뮤니티를 후원하기 시작했고 다음단계는 폴리크로매트를 상업용 태양전지에 이용할 수 있기 위해 태양전지 제조업체와 협력하는 것”이라며 “다중 물질을 다룰 수 있는 제조업체가 거의 없기 때문에 상업용 광전지에 이식하는 것은 어려운 일”이라고 밝혔다.

한편 이번 연구 결과는 ‘Progress in Photovoltaics: Research and Applications 저널’에 발표됐다.