- 유연한 화합물 반도체 위에 가성비 좋은 페로브스카이트 적층
- 실리콘 반도체 약점 극복, 태양전지 효율 높여
한국연구재단(이사장 노정혜)은 박희준(한양대학교)·이재진(아주대학교) 교수 연구팀이 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs) 위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현했다고 17일 밝혔다.
최근 개발되는 모바일 및 웨어러블 기기들은 대부분 고성능 구현을 위해 높은 배터리가 소비되는 만큼 부가적인 충전과정 없이 일상생활에서 배터리에 에너지를 공급할 수 있는 기술에 대한 관심이 높다. 일상에서 공급되는 빛에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 대표적인 에너지 소자인 태양전지가 주목받는 이유이다. 태양전지는 모바일 및 웨어러블 기기 뿐 아니라 자동차 및 무인비행기의 보조동력원, IoT(Internet of Things) 센서의 에너지원 등으로 효용가치가 높다.
하지만 태양전지의 대표적 소재인 결정성 실리콘(c-Si)은 효과적인 빛에너지 흡수를 위해 일정 두께(수백 마이크로미터 이상) 이상이어야 하며 딱딱하다. 때문에 결정성 실리콘을 기반으로 하는 태양전지는 위에서 언급된 미래형 에너지 기기 등에 적용하기가 쉽지 않다. 갈륨-비소(GaAs) 반도체 등 3-5족 화합물반도체 기반 태양전지는 박막 구조를 이용하여 경량화, 플렉시블화 및 고효율화가 가능하기에 앞서의 기기들에 적용하기에 유리하다. 하지만 이같은 화합물 반도체 태양전지는 제작비용이 높은 것이 단점이다. 때문에 태양전지의 광전환효율을 높여 발전단가를 낮추기 위해 두 가지 다른 흡수파장을 가지는 물질을 적층한 탠덤 구조 태양전지에 대한 연구가 진행되어 왔다.
이번 연구에서는 인듐-갈륨-인과 유사하게 단파장 영역에서 흡수파장을 가지면서 낮은 비용으로 제작 가능한 페로브스카이트 물질을 개발하여 이를 갈륨-비소 반도체 상부에 적층한 페로브스카이트/갈륨-비소 탠덤 구조 태양전지를 최초로 구현하였다. ABX3(A= 유기물 및 세슘, B = 납, 주석 등 금속, X = 할로겐화물) 결정 구조의 페로브스카이트 물질은 구성 요소의 비율을 변화시켜 빛 흡수파장 제어가 가능하며, 특히 X성분 할로겐화물의 구성을 변화시켜 결정의 격자상수 조절이 가능하여, 그 결과 흡수파장을 변화시킬 수 있다. 하지만 인듐-갈륨-인 반도체와 유사한 단파장 영역에서 흡수파장을 갖는 페로브스카이트 구현을 위해서는 Br과 I 혼합 할로겐화물의 Br 비율을 늘려야하나, 이와 같은 경우, Br과 I의 상분리 현상이 일어나 단파장 영역 흡수가 가능한 페로브스카이트 물질의 개발이 어려운 상황이었다.
이에 연구팀은 새롭게 개발된 용매증발속도 제어 공정을 이용하여 A성분에 삼중양이온을 적용한 페로브스카이트를 제작함으로써 결함이 감소되고 균일도가 증가됨과 동시에 인듐-갈륨-인 반도체와 유사한 단파장 영역의 흡수를 가지는 페로브스카이트 박막을 제작할 수 있었으며, 광안정성 및 성능을 대폭 향상시킬 수 있었다. 인듐-갈륨-인 반도체와 유사한 흡수 파장을 가지는 고효율 고안정성 페로브스카이트를 갈륨-비소 반도체 상부에 적층한 탠덤 구조 태양전지를 최초로 구현함으로써, 제작비용 상승 및 복잡한 터널 접합 구조 없이도 갈륨-비소 태양전지의 성능을 15% 이상 대폭 향상시킬 수 있음을 증명하였다.
박희준·이재진 교수 연구팀은 제안된 고효율 플렉시블 페로브스카이트/화합물반도체(3-5족) 기반 태양전지 모듈은 자동차, 모바일 및 웨어러블 기기 및 드론, 무인 항공기, IoT용 센서 등 다양한 미래 에너지 산업 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대되며, 전 세계 태양전지 시장의 90%가 실리콘 반도체 기반인 상황에서 화합물 반도체 기반의 차세대 고효율 태양전지 개발에 새로운 동력을 제공할 것으로 기대된다고 밝혔다.
과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구 및 기본연구 등) 등의 지원으로 수행된 이번 연구의 성과는, 국제학술지 어드밴스트 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 12월 19일 게재되는 한편 표지논문으로 선정되었다.
