경북대학교는 노종욱 나노신소재공학과 교수팀이 DGIST 에너지융합연구부 김대환 박사팀과 공동연구로 태양광 모듈 효율을 향상할 수 있는 최적의 금속 네트워크 전극 구조를 개발했다고 10일 밝혔다. 태양광에너지의 생산 단가를 낮춰 보급을 촉진하고, 신재생 에너지 비중을 증가시키는 역할을 할 것으로 기대된다.
태양광 모듈은 여러 개의 태양전지를 연결한 장치다. 일상생활에서 외벽이나 지붕에 설치하는 태양광 모듈은 보통 연구소나 실험실에서 발표하는 태양전지보다 효율이 낮다. 결정적 이유 중 하나는 태양전지 상단에 있는 투명전도성산화물(투명전극:TCO)의 면 저항이 길이가 길어질수록 커지는 특성 때문이다.
이로 인해 태양전지 크기가 커지면 단위면적당 동일한 양의 전기를 생산해도 상부층에 적용된 TCO의 저항이 커져 전류의 흐름이 방해된다. 이를 극복하기 위해 TCO 박막을 두껍게 하거나 TCO 박막 위에 금속으로 이뤄진 얇은 전선(금속전극)을 연결해 전류를 원활히 흐르게 하는 방법을 활용하고 있다. 그러나 반도체 박막 내부로 들어가는 빛의 양이 줄어들 수 있어서 금속전극이 차지하는 면적을 줄이는 동시에 전극의 구조를 최적화하는 연구가 진행 중이다.
연구팀은 머리카락보다도 얇은 금속전극을 TCO 위에 그물망처럼 네트워크 구조로 연결해 문제를 해결했다. 보통 얇은 금속전극은 리소그라피와 같은 복잡한 방법을 사용한다. 이번 연구에서는 TCO 박막에 아크릴 용액을 코팅하고 건조할 때 자연적으로 생성되는 크랙을 이용했다.
연구팀은 아크릴 용액이 건조할 때의 온도와 습도를 조절해 금속 전극의 네트워크 구조를 쉽게 제어하는 기술을 개발했다. 이 기술을 이용해 다양한 전극 구조를 태양전지에 적용해 전극 구조에 따른 태양전지 특성 변화를 확인하는 연구를 진행하고, 태양전지에 전기를 생산할 충분한 빛을 침투하면서도 전류의 흐름을 원활히 할 수 있는 최적의 금속 네트워크 전극 구조를 찾아냈다. 최적의 전극 구조를 면적이 넓고 TCO 두께를 반 이상으로 줄인 태양전지에 적용해 효율을 높이는 데 성공했다.
류혜선 박사는 “이번 연구는 투명전극 위에 금속 네트워크 전극 구조를 손쉽게 제어해 태양광 모듈의 효율을 높일 수 있는 방법”이라면서 “다른 웨어러블 기기, 폴더블 디스플레이 등 다양한 곳에 응용될 수 있다는 점에서 의의를 가진다.”고 밝혔다.
연구 성과는 최근 재료과학 분야 국제학술지인 '에너지 앤 인바이런멘탈 머티리얼즈'에 게재됐다. 류혜선 박사(경북대 탄소중립지능형에너지시스템선도연구센터), 황반 쿠이(Hoang Van Quy) 박사(DGIST 에너지융합연구부), 이인표 석사과정생(경북대 나노신소재공학과)이 공동 제1저자로 참여했다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
