태양전지 패널 표면 패턴만 바꿔도 빛 흡수 효율 2배?

최근에는 신재생에너지 연구와 도입이 전 세계 각국에서 진행되고 있으며 태양광 발전 등 발전 효율도 점점 높아지고 있다. 영국 요크대학 연구팀이 노바리스본대학(NOVA University Lisbon)과 공동 실시한 연구에선 태양전지 패널 표면에 단순한 패턴을 에칭해 빛 흡수 효율이 2배 이상 증가할 가능성이 있다고 밝혀 눈길을 끈다.

이번 연구 전부터 24시간 가동할 수 있는 태양광 발전 시스템 개발과 태양광 발전 조류를 이용하는 노력, 투명 태양전지 패널을 이용한 태양광 발전 등 태양광 발전 효율을 높이기 위해 다양한 연구가 진행되어 왔다.

모든 시도는 화석 연료에 대한 의존도가 줄어든 세계를 위한 노력이지만 연구팀은 기존 태양광 발전 기술에 조금만 변경해 발전 효율을 높일 방법을 모색했다. 연구팀이 주목한 건 태양전지 패널에 사용되는 실리콘 표면 구조를 조절하는 방법이다.

태양광 발전은 태양전지판이 태양광을 흡수해 발전을 위한 태양광 흡수 효율을 향상시킬 수 있다면 발전 효율도 상승한다. 연구팀은 태양전지 패널을 반사하는 태양 비율을 줄이고 더 많은 태양광을 가두는 표면 구조 디자인을 고안하기로 했다.

태양전지 패널 표면 구조를 고안하면서 자연계에 존재하는 패턴이나 컴퓨터 알고리즘을 기반으로 새로운 구조 설계를 검토하는 게 아니라 단순한 격자 패턴을 기반으로 태양광 흡수를 최적화하는 방법을 모색했다.

연구팀은 두께가 불과 1마이크로미터인 솔라 그레이드 실리콘으로 만든 태양전지 패널의 광흡수 효율을 단순한 격자, 교차하는 격자, 바둑판 무늬 격자 같은 격자 패턴으로 이뤄진 다양한 표면 구조에서 시뮬레이션을 했다. 또 각각 패턴을 특정 단위로 무작위로 회전시킨 구조도 광흡수 효율을 비교했다.

시뮬레이션 결과 격자 패턴이 무작위로 회전하는 무늬가 비교 대상이 된 어떤 패턴보다 많은 전기를 만들어내는 걸 발견했다. 격자 패턴이 존재하지 않는 기존 태양전지와 비교하면 125% 더 많은 전기를 생성하는 걸 제안했다고 한다. 또 연구팀은 격자 패턴으로 이뤄진 바둑판 무늬는 단순한 구조이며 다른 복잡한 나노 구조를 갖는 태양전지 패널보다 산업 규모 생산이 용이하다고 주장하고 있다.

연구팀은 세련된 디자인을 한 광흡수 효율 향상에 필적하는 결과라면서 체커보드 설계를 이용해 더 얇은 태양전지 패널 생산이 가능해져 생산에 필요한 에너지 절감과 더 얇은 소재에 태양전지 패널 통합고 가능하게 된다고 설명한다.

바둑판 무늬 디자인이 유효한 건 태양광 발전 뿐 아니라 소음 차폐와 패널, 미끄럼 방지 등 빛 회절과 비슷한 물리적 기능에 의존하는 관련 영역에서도 도움이 될 수 있다고 지적했다. 관련 내용은 이곳에서 확인할 수 있다.