양면 태양광 전지로 세계 최고 광전효율 기록했다

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▲양면 솔라셀은 직접 반사하는 태양광 흡수는 물론 지표면에서 반사하는 태양광까지 활용하면서 발전용량을 최대 30%까지 높여준다. 호주국립대(ANU) 연구진은 레이저 도핑이라는 솔라셀 제조공정을 이용, 양면 솔라셀의 발전용량을 최대 30%까지 높여주는 기술을 개발했다. 이들은 솔라셀 패널의 전면 광전 전환 효율 24.3%, 후면 전환 효율 23.4%인 양면 실리콘 태양전지를 개발할 수 있어 96.3%의 양면 계수를 얻을 수 있었다고 밝혔다. (사진=호주국립대)

상업용 태양광 전지의 최대 약점 중 하나는 빛을 전기로 바꾸는 광전효율(photo voltanic conversion)이 최고 25%대에 그친다는 점이다.

그런데 최근 호주 과학자들이 이른바 ‘진정한’ 양면 태양전지판(솔라셀)을 개발해 이 광전 효율 기록을 깨 주목을 받고 있다.

이 양면 솔라셀은 직접 반사하는 태양광 흡수는 물론 지표면에서 반사하는 태양광까지 활용하면서 30%대에 육박하는 광전 효율로 태양광 발전 효율을 크게 높여 준다.

호주국립대(ANU) 연구팀은 지금까지 사용되지 않던 레이저 가공 방식을 이용, 기존에 비해 크게 효율적인 양면 솔라셀을 만들어 이 분야 세계 기록을 달성했다고 19일 발표했다.

‘레이저 도핑(laser doping)’이라고 불리는 이 솔라셀 제조 공정은 레이저를 사용해 국지적으로 전기 전도도를 높였으며, 실온에서도 실행 가능하며 이미터(emitter) 심도와 표면 밀도 제어가 손쉬운 등 많은 장점들로 인해 유망한 기술로 환호 받고 있다. 게다가 이 공정 기술은 저비용으로 태양 전지 효율을 높일 수 있는 것은 물론 기존 산업계의 제조공정과 호환성까지 갖추고 있다.

연구진은 이 기술 덕분에 전면 전환 효율 24.3%, 후면 전환 효율 23.4%의 양면 실리콘 태양전지를 개발할 수 있어 96.3%의 양면 계수를 얻을 수 있었다고 밝혔다.

▲양면 솔라셀 패널을 만드는 모습. (사진=솔라월드)

▲고반사 양면 솔라셀 패널 설치 모습. (사진=산요)

이들은 이 양면 솔라셀의 성능은 최고의 단면 실리콘 태양전지 성능을 훨씬 능가하는 29%의 효과적인 전력 생산능력과 같으며, 그 결과가 영연방과학산업연구기구(CSIRO)에 의해 독자적으로 검증됐다고 밝혔다.

마르코 에른스트 박사는 발표 자료에서 “이는 선별적으로 레이저로 도핑(반도체 성질을 갖도록 불순물 섞기)한 솔라셀과 양면 솔라셀 가운데서도 가장 높은 광전효율이다”라고 밝혔다.

양면 태양전지는 이름 그대로 솔라셀 양쪽에서 에너지를 발생시키며, 반사된 빛도 함께 모아 전기로 바꾼다.

▲양면 솔라셀 패널의 기본 구조. (사진=솔라미디어)

킨 체른 퐁 수석 연구원에 따르면 양면 태양전지는 단면 실리콘 솔라셀을 전지를 쉽게 능가해 태양광 전력 프로젝트의 효율성을 높일 수 있다.

퐁 연구원은 “우리는 진정한 양면 태양 전지로 불릴 만한 것을 개발했다. 이 셀은 장치의 두 표면에서 거의 대칭적인 발전 용량을 가지고 있다”라고 설명했다.

그는 “기존 태양광 발전소에 배치된 양면 솔라셀은 직사광선을 흡수하는 동시에 지상 반사 기능을 활용해 최대 30%의 추가 발전 효과를 볼 수 있다. 양면 태양전지는 태양열 발전소 출시와 관련, 점점 더 중요해지고 있으며 향후 5년 안에 50% 이상의 시장 점유율을 기록할 것으로 예상된다. 우리의 작업은 이 기술의 놀라운 능력을 입증한다”고 말했다.

역사적으로는 지난 1954년 벨 연구소가 처음으로 실용적인 태양광 전지 개발 성과를 발표했다. 당시 광전 효율은 8%에 불과했다. 1958년 9%, 1959년 10%에 이르렀다. 1959년 델타1 로켓에 실려 발사된 과학위성 익스플로러 6호에는 9600개의 셀(각 1cm⨯2cm)을 사용한 태양전지판이 처음으로 탑재됐다. 1962년 텔스타 위성에는 14W의 태양전지판이 들어갔다. 1966년 ‘양면’ 태양전지에 대한 최초의 특허가 부여됐다.

▲1959년 델타1 로켓에 실려 발사된 과학위성 익스플로러 6호에는 9600개의 셀(각 1cm⨯2cm)을 사용한 태양전지판이 처음으로 탑재됐다. (사진=위키피디아)

2000년대 초반부터 양면 솔라셀 연구가 가속화하면서 2012년 첫 양면 솔라셀 패널이 시장에 나왔다. 이 형태의 솔라셀은 2019년까지 태양광 설치의 약 15%를 차지해 피크 용량 2000메가와트(MW)를 차지했으며, 이미 일부 세계 최대 태양광 발전소에서 사용되고 있다.

탄소중립화 시대에 나온 호주국립대 연구진의 이 획기적 성과는 전 세계 솔라셀 기술 개발자들에게 좋은 자극제가 될 것 같다.

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