부산대 이길주-GIST 송영민 교수팀 공동연구, 태양전지 효율 극대화 새 방안 규명

[이뉴스투데이 부산경남취재본부 박흥식 기자] 부산대학교와 광주과학기술원(GIST) 공동연구팀이 친환경 에너지원인 태양전지의 효율과 수명을 극대화할 실마리를 우주-지구 간 열교환에서 찾아냈다.

부산대학교 전자공학과 이길주 교수와 광주과학기술원(GIST) 전기전자컴퓨터공학부 송영민 교수 연구팀은 태양전지의 냉각과 그에 따른 효율 및 수명 개선 효과를 복사 냉각* 구조를 적용해 규명했다고 17일 밝혔다.

* 복사 냉각(Radiative cooling): 일반적으로 복사 냉각이란, 물체로부터 방사된 복사량이 흡수된 복사량보다 많을 때 그 물체의 온도가 내려가는 상태로, 장적외선 대역(8-13 μm)에서의 열 방사를 극대화해 우주-지구 간의 열 교환을 통해 물체를 냉각하는 친환경 방식.

연구팀은 다양한 종류의 태양전지에 복사 냉각 구조가 적용된 경우, 전지의 효율 상승 분석 결과를 토대로 태양전지 효율을 극대화 할 수 있는 새로운 형태의 방안을 제시했다.

통상 태양전지의 효율 향상을 위해서는 태양전지 자체의 광흡수율을 향상시킬 수 있는 나노포토닉스* 구조를 이용하거나, 서로 다른 반도체 물질을 접합시켜 흡수된 태양광 에너지의 전기 변환 효율을 증대시키는 형태로 연구가 진행돼 왔다.

* 나노포토닉스(Nanophotonics): 나노 구조물을 의미하며, 가시광 파장과 유사한 크기를 가지기 때문에 빛-물질 상호작용(Light-matter interaction)이 강하게 일어나는 구조. 이를 이용해 광전소자의 효율 향상을 위해 다양한 나노포토닉스 구조가 활용되고 있음.

하지만, 태양전지는 동작 온도에 비례해 성능이 떨어지는데, 강한 태양광 아래에서 동작하는 소자의 특성상 이상적으로는* 태양전지 효율이 향상될 수 있지만 실제 응용에서는 효율과 수명이 저하되는 문제가 있다.

이상적으로 태양전지의 효율은 상온(25℃), AM1.5G 인공 태양광 아래에서 측정됨. 하지만, 실제 태양전지는 야외에서 사용되며, 그에 따라 태양전지 온도가 25℃ 보다 수십 ℃ 더 치솟게 됨.

연구팀은 이를 해결하기 위해 우주-지구 간의 복사열 교환을 통해 태양전지의 온도를 냉각시키고 나아가 효율과 수명의 증대까지 유도할 수 있는 연구를 수행했다. 연구팀은 우선 복사 냉각 기술이 적용됐을 때, 여러 종류의 태양전지 중 가장 큰 냉각 효과 및 그에 따른 가장 큰 효율 상승을 보이는 태양전지를 이론적으로 규명했다.

연구팀에 의하면 태양광 흡수 파장 영역이 넓고 양자 효율이 높은 다중 접합 태양전지에 복사 냉각 구조를 적용했을 때 그 효과가 가장 크며, 이를 실제 야외에서 온도 및 효율을 측정해 실험적으로도 증명했다.

현재의 태양전지는 태양전지의 높은 동작 온도로 인한 효율 저하 문제를 해결하기 위해 별도의 냉각 시스템이 도입되고 있다. 예를 들어, 전기를 사용해 냉각하는 수냉(水冷, 물냉각) 또는 공냉(空冷, 공기냉각) 시스템이 대표적이다.

이번 연구에서 제안한 복사냉각 구조를 적용하면 이러한 수냉·공냉과 같은 액티브(active) 냉각 시스템에서 사용되는 전력을 최소화 할 수 있다. 또한, 완전히 친환경적이고 에너지를 사용하지 않는 냉각 시스템으로 전환할 수도 있다. 즉, 외부 환경에서 태양전지의 효율성을 제어하는 새로운 관점을 제시한 것이다.

이번 연구는 InGaP/GaAs/Ge*의 삼중 접합 태양전지에 복사 냉각 필름을 적용해 실험적으로 검증한 결과로, 연구팀은 보다 높은 온도에서 동작하는 집광형 태양전지(Concentrated photovoltaics)에 복사 냉각 구조를 적용했을 때, 더 큰 효율 및 수명 향상 등 실효성이 증가할 것으로 기대하고 있어 집광형 태양전지와 복사냉각 구조에 대한 연구를 추가로 진행하고 있다.

* InGaP:인듐-칼륨-인 화합물 / GaAs: 갈륨-비소 화합물 /Ge: 게르마늄

이길주 부산대 교수는 이번 연구에 대해 “복잡하게 얽혀 있는 태양전지의 온도-효율 특성과 우주-지구 간의 열복사를 접목해 구체적인 수식으로 밝혀낸 첫 사례”라며 “에너지 사용 없이 야외의 태양광 아래에서 에너지 수확과 동시에 냉각이 되는 실질적인 방안이라는 점에서 큰 의의가 있다”고 밝혔다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 세종과학펠로우십의 지원을 받아, 부산대 이길주 교수와 광주과학기술원 송영민 교수가 공동교신저자, 광주과학기술원 허세연 박사과정생이 제1저자, 김도현 석박사통합과정생이 참여저자로 수행했다.

해당 연구 성과는 에너지과학 분야 국제학술지 『어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)』 2021년 12월 22일자 온라인판에 게재됐다.

▶논문명: Determining the effectiveness of radiative cooler-integrated solar cells(복사냉각 집적 태양전지의 효과 규명)