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종이접기와 3D프린팅 합치니 태양전지 소자집적도 '쑥'

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종이접기와 3D프린팅 합치니 태양전지 소자집적도 '쑥'

2019.11.21 12:00
이필립 KIST 선임연구원(왼쪽)과 고민재 한양대 교수. KIST 제공.
이필립 KIST 선임연구원(왼쪽)과 고민재 한양대 교수. KIST 제공.

차세대 태양전지로 불리는 페로브스카이트 태양전지는 빛을 전기로 변환하는 효율이 좋은 반도체 물질인 페로브스카이트로 소자를 만든다. 이 소자를 여러개 붙여 만든 태양전지 모듈을 다시 이어붙이는 방식으로 태양광에너지를 생산하는 방식이다. 

 

태양전지 소자를 서로 연결하는 부위가 있어 소자는 집적도에서 손해를 본다. 같은 면적의 모듈을 만들어도 소자가 붙어야 할 곳에 연결 부위가 자리잡기 때문이다. 또 2차원 평면으로 만들어진 태양전지 모듈은 굴곡이 있는 건물에 활용하기 어려운 게 현실이다. 

 

한국과학기술연구원(KIST)은 이필립 광전하이브리드연구센터 선임연구원과 조만식 학생연구원, 고민재 한양대 교수 공동 연구팀이 3D 프린팅 기술과 종이접기 ‘오리가미’ 기술을 적용해 2차원 평면 페로브스카이트 태양전지의 집적도와 신축성을 한꺼번에 해결할 수 있는 연결 부위 제작 기술을 개발했다고 21일 밝혔다. 

 

건물 곡면이나 자동차 등에도 붙일 수 있는 유연한 태양전지를 만들려면 유연한 소자를 만들거나 소자를 연결하는 부위를 유연하게 만들어야 한다. 소자 자체를 유연하게 만들면 유연성 확보를 위한 물질 추가로 인해 광전 효율이 떨어진다는 단점이 있다. 

 

두 번째 방식은 신축성이 없는 소자를 신축성이 있는 연결 부위로 연결하는 것이다. 이른바 섬-다리 구조다. 섬을 소자에 비유한다면 다리는 연결 부위다. 2차원 평면 반도체 공정에서 섬-다리 방식을 적용하면 신축성을 확보할 수는 있지만 다리 비율이 높아져 집적도가 떨어진다. 

 

연구진은 두 방식의 단점을 한꺼번에 해결하기 위해 3D 프린팅 공정과 공학에서 쓰이는 종이접기 기술인 ‘오리가미’ 방식을 적용했다. 2차원 평면에서 소자를 연결하는 대신 소자 아래로 연결 부위를 숨기는 형태로 태양전지 모듈을 제작했다. 모듈을 위에서 보면 연결 부위는 보이지 않는 형태다. 연결 부위를 소자 아래 3차원 형태로 적용해 집적도를 높이는 동시에 신축성도 확보하는 데 성공했다. 

 

이렇게 만든 페로브스카이트 태양전지 모듈은 모듈의 모든 면적에 태양전지 소자를 붙일 수 있을 정도로 100%에 가까운 집적도를 달성했다. 또 제작된 모듈을 5배로 늘리는 실험을 1000회 반복해도 인장 시험에서 초기 성능을 유지했다. 

 

이필립 KIST 선임연구원은 “태양전지뿐만 아니라 웨어러블 소자와 같은 다양한 소자에 신축성과 집적도를 높이는 연결 플랫폼 기술을 3D 프린팅과 오리가미 기술을 활용해 개발 한 것”이라며 “2차원 평면 기반 소자가 갖는 한계를 극복해 유연한 태양전지 등을 만들 수 있을 것”이라고 설명했다. 

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