인천대 김준동 교수, 주기적 나노구조에서 세계 최고 성능 태양전지 기술개발

아주경제 박흥서 기자 =인천대 김준동 교수(전기공학과) 연구팀이 투명한 렌즈를 이용하여, 주기적 나노구조에서의 세계 최고 성능 태양전지를 개발하여 태양광 산업에 큰 파급 효과가 예상된다.

연구책임자인 김준동 교수는 프린팅 방식으로 제작된 투명한 나노구조 렌즈 기술을 이용하여 태양광의 흡수 깊이를 능동적으로 조절할 수 있는 신개념의 태양전지 기술을 개발했다.

연구결과는  5일 Incident light adjustable solar cell by periodic nanolens architecture (주기적 나노렌즈 구조를 이용한 입사광제어 방식의 태양전지)라는 제목으로 세계적인 학술지인 네이처(nature)의 자매지인 사이언티픽 리포트(Scientific Reports)에 게재됐다.

인천대 김준동 교수[사진제공=인천대]

김 교수는 “태양광의 흡수를 최적화하여 성능을 향상할 수 있는 이 기술은 상용화 실리콘 태양전지뿐 아니라, 유기물 및 CIGS 등 다양한 태양전지에 적용될 수 있는 범용기술로써, 적용 분야가 넓고 파급효과가 매우 클 것으로 예상된다”고 밝혔다.

이번 나노렌즈 태양전지 개발은 상용화 기술에 주안을 두고 있다. 기존의 태양전지 제작 방식에 용이하게 적용될 수 있도록 공정이 간편하고, 대면적에 적용이 가능한 것이 특징이다. 본 기술은 침체된 국내 태양광 산업의 돌파기술로 관심을 받고 있으며, 유관 기업과 기술이전을 협의 중에 있다.

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이 연구는 한국에너지기술평가원 (원장 안남성)의 신재생 에너지 융합핵심 기술개발사업(산업기술혁신사업)의 연구지원 (연구과제명: 투명 전도체 나노렌즈를 이용한 태양전지 성능 향상 기술개발, 과제책임자: 인천대, 김준동 교수)을 통해 국내 태양광 기업체로의 기술이전을 목표로 수행되어 왔다.

해당 기술은 국내에 특허등록을 완료하였으며 (2014년 9월 11일, 등록번호: 10-1441607), 국제특허협력조약 (PCT) 출원을 마친 상태이다. 인천대는 금번의 신개념 태양전지의 중점기술에 대해서 삼극특허(미국, 일본, 유럽 특허청 등에 출원)를 준비하고 있으며, 핵심기술 중 일부에 대해서는 특허로 공개하지 않고, 국내기업에 Know-how 형태로 이전할 계획이다.


주기적 나노구조 형태를 이용하면, 입사광의 이용률을 크게 높일 수 있어서, 태양전지의 저가격화 및 고효율화를 동시에 만족할 수 있는 기술로, 세계적으로 많은 연구자들이 이 분야에 집중하여 연구를 진행하고 있다.

그러나, 이전까지의 연구에서는 주기적 나노구조를 반도체 물질에 형성하였는데, 이러한 방법은 반도체 특성에 전기적 결함을 발생시켜 효율을 저감시켜서 10% 내외의 성능이 최고로 보고되어 왔다. 또한 반도체 물질을 나노구조 형태로 제작하기 방식은 고가의 공정비용과 공정크기의 제약으로 상용화에 걸림돌이 되어왔다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 김 교수팀은, 반도체 식각공정 없이 저가의 프린팅 공정을 이용하여 투명전도체 나노구조를 형성하였으며, 대면적 적용이 가능한 고성능 태양전지(효율, 16.0%)를 개발하였다.

이러한 투명전도체 나노구조를 이용하여 입사광의 이용시간을 크게 개선할 수 있는 것을 확인하였는데, 이는 태양광 발전시간을 늘려서 전체 전기발생량을 증대시킬 수 있는 근간 기술이며, 나노구조 투명전도체 태양전지의 획기적인 경쟁 강점 요소이다.

김 교수는 “금번의 기술로 고유한 국내 태양광 핵심기술을 확보한 것에 큰 의미를 두고 있다”고 밝혔다. 해당기술에 대해서는 연구과제가 종료되는 2016년에 기술이전을 목표로 하고 있다.

본 연구에는 뉴욕주립 버팔로 대학교 윤주형 박사(현 삼성전자, 책임연구원), 이화여자대학교 김 동욱 교수팀, 한국나노기술원 박형호 박사팀, 성균관대학교 이준신 교수팀이 협업 연계를 통해 진행되었으며, 보다 진보된 연구결과를 보유하고 있어, 연속된 발표가 예상된다.