KAIST(총장 신성철)를 비롯한 국제 공동 연구팀이 새로운 구조의 고효율 탠덤(tandem) 태양전지를 개발했다. 이를 통해 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.
KAIST 신소재공학과 신병하 교수 연구팀은 서울대 김진영 교수, 세종대 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사 등과의 공동연구를 통해 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 개발했다고 밝혔다.
공동 연구팀은 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 구현했다. 기존의 단일 태양전지로는 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재한다. 이 때문에 연구자들은 이를 극복하기 위해 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발에 박차를 가하고 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 존재한다.
연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝히고, 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다. 아울러 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.
연구팀은 이 기술이 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 기대했다.
연구팀에 따르면 탠덤 태양전지의 가장 이상적인 밴드갭 조합은 실리콘 태양전지(~1.1 eV)와 큰 밴드갭 페로브스카이트 물질 (~1.7 eV)을 적층으로 쌓는 것이다. 하지만 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 취약한 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성하는 데 어려움이 있었다.
그동안 페로브스카이트의 안정성을 높이기 위해 양이온 첨가제를 도입하는 방법은 있었지만 음이온 첨가제를 도입한 연구는 이번이 처음이다. 연구팀은 새로운 음이온 공학법으로 페로브스카이트 박막의 전기적/구조적 특성이 개선되는 것을 확인했고, 고해상도 투과전자현미경 분석법 등을 이용해 원리를 규명하는 데 성공했다.
신 교수는 "페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기"라면서 "실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.
이어 "이 기술은 향후 첨가제 도입법을 이용한 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있으며, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다"고 덧붙였다.
이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, BK21 사업의 지원을 통해 수행됐다.
신병하 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스’ 온라인판에 지난 26일 게재됐다.
