광섬유-하이브리드 시스템 개념도(왼쪽)와 광섬유 활용 태양전지 테스트/한국재료연구원 제공
기존의 평평한 형태의 2차원 구조인 태양광 패널을 수직 형태의 3차원 구조로 배치해 빛을 수용하는 각도에 상관없이 기본적인 효율을 장시간 유지할 수 있는 태양광 발전 시스템 기술이 개발됐다.
한국재료연구원(KIMS) 에너지전자재료연구실 임동찬 박사 연구팀이 태양광 발전 모듈 연구업체인 ㈜솔라옵틱스와 함께 광섬유를 활용한 광학응용 신소재와 유기물 기반의 태양전지를 융합한 성과다.
기존의 태양광 패널은 평평한 형태의 2차원 구조로 빛의 수용성과 최적 각도 때문에 면적대비 약 24% 수준의 효율과 일평균 3시간 30분 이내의 한계를 지니고 있다.
연구팀은 광섬유 표면에 나노 크기의 홀을 가공해 빛의 산란을 극대화하고, 산란된 빛을 최대한 흡수할 수 있도록 유기물 기반의 태양전지 구조를 재설계했다.
광섬유 및 수평 형태의 태양광 패널을 수직 형태의 3차원 구조로 배치할 수 있어 빛을 수용하는 각도에 상관없이 기본적인 효율을 장시간 유지할 수 있다.
태양광 패널은 물론 태양전지 패널의 최대 효율 구현 시간을 일평균 6시간 이상으로 크게 개선했다.
연구의 핵심은 측면 발광이 가능한 광섬유를 적용해 기존의 태양광을 실내환경(광섬유-태양전지 하이브리드 시스템)으로 이동 시킨 점이다.
불안정한 외부 환경으로부터 패널을 안전하게 유지하면서 안정성도 제고 됐다.
안정된 내부 환경에 설치돼 열과 먼지, 습도 등 외부 환경의 장애에서 벗어나 그동안 사용하지 못했던 고효율 패널의 채택도 가능해졌다.
앞으로 다양한 고효율 제품 개발과 양산화에 기대를 주는 부분이다.
연구팀은 유기물이라는 소재의 특성으로 인해 열과 수분 등 외부 환경으로 인한 안정성 취약이 문제였던 유기물 기반의 태양전지의 활용도가 높아질 것으로 전망하고 있다.
향후 기존 태양광 패널 대비 약 5분의 1 이상 면적을 줄이면서 이동형 솔라발전기, 전기자동차, 분산형 발전시스템 등에 적용될 수 있을 것으로 기대하고 있다.
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