-페로브스카이트 태양전지의 수명 높이는 원천기술 확보
-2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 탠덤 개발

사진은 기사와 무관. (제공=픽사베이)
사진은 기사와 무관. (제공=픽사베이)

[데일리비즈온 김소윤 기자] 차세대 태양전지로 주목받고 있는 ‘페로브스카이트(PSC)’ 원천기술이 개발돼 태양전지 상용화에 대한 기대감을 높였다. 

과학계에 따르면 최근 한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 신병하 교수 연구진과 서울대 김진영 교수, 세종대 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 카이 추 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사 공동연구진이 고효율 페로스카이트실리콘 탠덤 태양전지를 개발했다. 

단일 태양전지로는 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리콰이저 이론에 따라 과학자들은 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발에 나서고 있다. 

하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 있다.

이에 공동 연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있음을 밝혀냈다. 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 만들었다.

(앞줄 왼쪽부터 반시계방향)신병하 교수, 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사, 서울대 김진영 교수 (사진=카이스트)
신병하 교수 공동 연구팀. (사진=카이스트)

◇ PSC 탠덤 태양전지 고효율 26%대 달성 

공동 연구팀은 더 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지로도 만들었다. 이 탠덤 태양전지는 광 변환 효율이 최고 수준인 26.7%을 나타냈다.

연구팀의 기술은 향후 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있다는 설명이다. 이 연구 성과는 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 것으로 기대된다. 

신병하 교수는 “지난 10년간 눈부시게 발전한 페로브스카이트 태양전지 기술은 상용화를 고민해야 하는 시기”라며 “실리콘 태양전지와 이종 접합 구조로 고효율 이뤄낸 이번 연구 성과가 상용화를 앞당기고, 30%가 넘는 초고율 탠덤 태양전지 구현을 도울 것”이라고 말했다.

한편, 이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, BK21 사업의 지원을 통해 수행됐다.

연구진은 고해상도 투과전자현미경으로 개발 물질의 구조적 물성을 분석했다. (사진=KAIST)

 

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