부산대와 광주과학기술원(GIST) 공동연구팀이 친환경 에너지원인 태양전지의 효율과 수명을 극대화할 실마리를 우주-지구 간 열교환에서 찾아냈다.

이길주 부산대 전자공학과 교수와 송영민 GIST 전기전자컴퓨터공학부 교수 공동연구팀은 태양전지 냉각과 그에 따른 효율 및 수명 개선 효과를 '복사 냉각' 구조를 적용해 규명했다고 17일 밝혔다.

'복사 냉각(Radiative cooling)'은 물체에서 방사된 복사량이 흡수된 복사량보다 많을 때 그 물체의 온도가 내려가는 상태다. 장적외선 대역(8~13μm)에서 열 방사를 극대화해 우주-지구 간 열 교환을 통해 물체를 냉각하는 친환경 방식이다.

연구팀은 다양한 종류의 태양전지에 복사 냉각 구조를 적용해 전지 효율 상승 분석 결과를 도출하고 이를 토대로 태양전지 효율을 극대화 할 수 있는 새로운 방안을 제시했다.

기존에는 태양전지 효율 향상을 위해 태양전지 자체의 광흡수율을 향상시킬 수 있는 나노포토닉스 구조를 이용하거나, 서로 다른 반도체 물질을 접합시켜 흡수된 태양광 에너지의 전기 변환 효율을 증대시키는 형태로 연구를 진행했다.

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.

연구팀은 우주-지구 간 복사열 교환으로 태양전지 온도를 냉각시키고 효율과 수명 증대를 유도할 수 있는 연구를 진행했다.

먼저 복사 냉각 기술이 적용했을 때, 여러 종류의 태양전지 가운데 가장 큰 냉각 효과 및 그에 따른 가장 큰 효율 상승을 보이는 태양전지를 이론적으로 규명했다. 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 실험으로 증명했다.

이 같은 복사냉각 구조를 적용하면 수냉·공냉과 같은 액티브 냉각 시스템에서 사용하는 전력을 최소화할 수 있다. 친환경적이고 에너지를 사용하지 않는 냉각 시스템으로 전환이 가능한, 외부에서 태양전지 효율성을 제어하는 새로운 관점을 제시한 것이다.

연구팀은 보다 높은 온도에서 동작하는 집광형 태양전지에 복사 냉각 구조를 적용할 때 더 큰 효율 및 수명 향상 등 실효성이 증가할 것으로 기대하고 있다.

이길주 교수는 “복잡하게 얽혀 있는 태양전지의 온도-효율 특성에 우주-지구 간 열복사를 접목해 구체적인 수식으로 밝혀낸 첫 사례”라며 “에너지 사용 없이 야외 태양광 아래에서 에너지 수확과 동시에 냉각이 되는 실질적 방안이라는 점에서 의미가 크다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단이 추진하는 세종과학펠로우십 지원을 받았다.

연구 성과는 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 2021년 12월 22일자 온라인판에 게재됐다.

부산=임동식기자 dslim@etnews.com