재료연, 3차원 구조 수직 태양광 패널 시스템 개발

"광섬유와 결합, 기존 태양광 패널보다 설치 면적 5분의 1 이상 감소"

태양광 패널을 수직으로 세워 효율을 높이는 태양광 발전 시스템이 나왔다. 

한국재료연구원(KIMS, 원장 이정환)은 광섬유를 활용한 광학응용 신소재와 유기물 기반의 태양전지를 융합해 새로운 형태의 태양광 발전 시스템 기술을 개발했다고 18일 밝혔다.

KIMS 나노표면재료연구본부 에너지전자재료연구실 임동찬 박사 연구팀과 태양광 발전 모듈 연구기업 솔라옵틱스의 공동 연구 성과다. 

광섬유-하이브리드 시스템 설명(왼쪽) 및 광섬유 활용 태양전지 테스트 장면(오른쪽) (자료=재료연)

기존 태양광 발전은 평평하게 배치한 패널이 태양광을 수직으로 흡수해 전기를 생산하는 구조다. 이 때문에 면적 대비 에너지 효율이 낮다는 문제가 있었다. 평평한 형태의 2차원 구조 태양광 패널은 빛의 수용성과 최적 각도의 문제로 효율이 면적 대비 약 24% 수준에 그치고, 최대 효율을 내는 시간이 일평균 3시간 30분 이내라는 한계가 있었다.

공동 연구팀은 광섬유 표면에 나노 크기의 홀을 가공해 빛의 산란을 극대화하고, 산란된 빛을 최대한 흡수할 수 있도록 유기물 기반의 태양전지 구조를 재설계했다. 이를 통해 광섬유 및 수평 형태의 태양광 패널을 수직 형태의 3차원 구조로 배치, 빛을 수용하는 각도에 상관없이 기본적인 효율을 장시간 유지할 수 있게 했다. 태양전지 패널의 최대 효율 구현 시간도 일평균 6시간 이상으로 개선했다.

또 태양광 패널이 외부에 노출되지 않는 구조라 패널을 열과 먼지, 습도 등으로부터 안전하게 유지관리하고 안정성도 높였다. 

임동찬 책임연구원은 "유기물 기반 태양전지는 유기물이라는 소재 특성으로 인해 열과 수분 등 외부 환경에 대한 안정성이 취약하리라는 우려가 여전하다"라며, "이 기술이 상용화되면 기존 태양광 패널 대비 약 5분의 1 이상 면적을 대폭 줄일 수 있고, 이동형 솔라발전기, 전기자동차, 분산형 발전시스템 등에 획기적으로 적용될 수 있을 것"이라고 기대했다. 

이 연구는 과학기술정보통신부의 지원으로 '국가핵심소재연구단(플랫폼형)/고감도 롤러블 광전소자용 전극소재 및 융합화 공정기술 개발 과제'를 통해 수행됐다.