고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 개발
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고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 개발
  • 최경주 기자
  • 승인 2020.03.30 11:20
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KAIST 주도 공동연구팀 광변환효율 26.7% 태양전지 구현
페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성. KAIST 제공

국내 연구팀이 주도한 국제공동연구팀이 광 변환 효율을 높인 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 구현했다. 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지를 개발하는데 기여할 것으로 기대된다.

30일 한국과학기술원(KAIST)는 신소재공학과 신병하 교수팀 주도의 공동 연구팀(서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사)이 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해, 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다고 밝혔다.

태양에너지를 사용하는 태양전지는 친환경 에너지원으로 주목받고 있지만 단일 태양전지로는 광변환 효율이 30%를 넘지 못한다는 이론적 한계에 직면해있다. 이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들은 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해서 노력하고 있다.

하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭(~1.7 eV)의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했다.

연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔고, 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다.

공동 연구팀은 더 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.

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

신병하 교수는 “지난 10년간 크게 발전해온 페로브스카이트 태양전지 기술은 이제 상용화 단계를 고민할 시기다. 실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것”이라며 “연구결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 3월 26일 자 온라인판에 게재됐다.


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