섬유-하이브리드 시스템 설명(왼쪽) 및 광섬유 활용 태양전지 테스트 장면. (사진=한국재료연구원 제공)

과학기술정보통신부 산하 정부출연연구기관인 한국재료연구원(KIMS) 나노표면재료연구본부 에너지전자재료연구실 임동찬 박사 연구팀(김소연 박사, 자한다 박사)은 태양광 발전 모듈 연구업체인 솔라옵틱스와 함께 광섬유를 활용한 광학응용 신소재와 유기물 기반의 태양전지를 융합해 새로운 형태의 태양광 발전 시스템 기술을 개발하는 데 성공했다. 이번 연구성과는 기존 태양광 발전설비의 효율을 크게 개선했다는 점에서 해당 기술의 극적인 전환점이 될 것으로 기대된다.

기존의 태양광 발전은 평평한 형태의 패널에 태양광을 수직으로 흡수해 전기를 생산하는 구조를 갖췄다. 이 때문에 면적대비 에너지 효율 측면에서 늘 경제성 문제가 화두가 되어왔다. 현재 태양광 패널이 가진 평평한 형태의 2차원 구조는 빛의 수용성과 최적 각도의 문제로 면적대비 약 24% 수준의 효율과 일평균 3시간 30분 이내에서 최대 효율을 내는 한계가 있었다.

본 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 배치해 빛을 수용하는 각도에 상관없이 기본적인 효율을 장시간 유지할 수 있게 했다. 태양광 패널의 발전 효율은 물론 태양전지 패널의 최대 효율 구현 시간을 일평균 6시간 이상으로 크게 개선한 것도 물론이다.

이번 연구성과는 측면 발광이 가능한 광섬유를 적용해 기존의 태양광을 실내환경(광섬유-태양전지 하이브리드 시스템)으로 이동시켰다는 특징이 있다. 이를 통해 불안정한 외부 환경으로부터 패널을 안전하게 유지 및 관리하는 게 가능하고, 안정성 또한 향상할 수 있게 됐다. 외부에 노출됐던 기존의 불안정한 환경이 아닌 안정된 내부 환경에 이를 설치함으로써, 열과 먼지, 습도 등 외부 환경에 민감해 그동안 사용하지 못했던 고효율 패널의 채택도 가능해졌다. 향후 다양한 고효율 제품 개발과 양산화를 기대할 수 있다는 평가다.

공동 연구를 진행한 한국재료연구원 임동찬 책임연구원은 “유기물 기반의 태양전지는 최근 20% 이상의 발전 효율을 가진 소재 기술이 계속해서 개발되고 있지만, 시장에서는 유기물이라는 소재의 특성으로 인해 열과 수분 등 외부 환경으로 인한 안정성이 취약할 것이라는 우려가 여전히 존재하고 있다”며 “본 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 것으로 기대하고 있다”고 말했다.

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

한편, 한국재료연구원은 유연, 경량, 컬러, 투명 등 다양한 형태의 유기물 기반의 태양전지 기술을 보유하고 있다. 최근에는 자연광뿐만 아니라 형광등, 엘이디(LED)와 같은 실내조명을 이용해 전력 생산이 가능한 태양전지도 함께 개발 중이다. 또한 솔라옵틱스는 자회사인 아이거텍에너지를 통해 광섬유 솔라셀용 충방전 배터리 모듈을 함께 개발하고 있다. 양 기관은 본 기술의 상용화를 함께 추진하기로 하고, 고효율 태양광 설비가 세계 최초로 조기 상용화될 수 있도록 노력 중이다. 탄소중립 실현을 위한 정부출연 연구기관과 중소기업의 상생 협력 성공 사례가 될 것으로 기대된다.