<사진. 효율성이 높고 저렴한 유연한 섬유 태양전지
출처. KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』>

섬유 태양전지

섬유 태양전지는 의복 소재로 활용될 수 있는 작은 전자 소자로 이상적인 전력원이 될 수 있다. 중국 연구진은 직물로 짤 수 있는 섬유 형태의 새로운 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 유연한 케이블 전지는 페로브스카이트 물질과 탄소 나노튜브를 기반으로 하고 있다. 에너지 변환 효율이 3.3%에 이를 정도로 매우 뛰어나며, 제조비용이 저렴하여 그 활용성이 높을 것으로 기대된다.

태양전지는 가격이 저렴하면 효율성이 떨어지고, 효율성을 올리게 되면 제조 비용 높아진다는 딜레마를 가지고 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 연구진은 페로브스카이트 물질을 이용하여 태양전지를 만들었다. 페로브스카이트는 부도체, 반도체, 도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이며 회티타늄석이라고도 한다. 반도체 특성을 가진 페로브스카이트는 빛 흡수율이 높다. 빛에 의해서 여기된 전자들은 결정격자 내에서 먼거리까지 이동할 수 있다. 전자들은 이러한 이동을 하는 중 적당한 위치, 즉 에너지적으로 그라운드 상태로 돌아간다. 전자들의 이러한 움직임은 태양전지에서는 매우 중요한 부분을 차지하다.

상해 푸단대학(Fudan University) Hisheng Peng 박사가 이끄는 연구진은 전자 섬유로 짤 수 있는 유연한 섬유 형태의 페로브스카이 태양전지를 개발하는 데 성공했다. 이번 공정 기술은 액상 기반으로 진행되며 공정 단계는 간단하며 비용 또한 저렴하다는 장점을 가지고 있다.

애노드는 충진밀도가 높은 n-형 반도체 특성을 가진 이산화티탄으로 코팅 된 스테인리스 스틸로 만들어졌다. 그 위에 다시 다공성 나노결정의 이산화티탄 박막이 증착된다. 이러한 구조적인 특성으로 인해서 표면적이 매우 높아지게 되었으며, 페로브스카이트 증착 면적도 동시에 증가할 수 있었다. 그 위에 특정한 유기물질이 증착되었다. 마지막으로 투명한 탄소 나노튜브가 캐소드 형태로 감긴 구조를 이루게 된다. 최종적으로 만들어진 섬유는 미세하면서도 유연하여 섬유 형태로 짜는 것이 가능해진다.

페로브스카이트 층은 빛을 흡수하여 전자들을 여기시켜 자유롭게 이동하게 만든다. 전자에서 분리된 양 전하는 “공공”이라고 불린다. 전자들은 충진밀도가 높은 이산화티탄의 전도성 밴드로 올라가게 되는 동시에 애노드로 움직이게 된다. 반면에 공공은 유기물 층에 포획된다. 탄소 나노튜브 캐소드의 넓은 표면적과 높은 전기 전도성은 광전류에 영향을 미치는 전하의 흐름을 매우 빠르게 한다. 섬유 태양전지는 3.3%의 높은 에너지변환 효율을 가지고 있다. 이는 기존의 폴리머 등으로 만들어진 꼬아진 섬유태양전지의 효율성을 훨씬 초과하는 값이다.

■ KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』 http://mirian.kisti.re.kr