에너지 52% 활용 못하는 태양전지 한계 극복 방법 찾아

[이데일리 강민구 기자] 국내 연구진이 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못하는 문제점을 가진 페로브스카이트 태양전지의 한계를 극복할 가능성을 제시했다.

한국과학기술원(KAIST)은 이정용 전기전자공학부 교수 연구팀과 김우재 연세대 화학과 교수 공동 연구팀이 기존 가시광선 영역을 넘어 근적외선 광 포집을 극대화한 고효율·고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

연구를 수행한 이정용 KAIST 교수(왼쪽), 이민호 박사과정(가운데), 김민석 석사과정(오른쪽).(사진=KAIST)

연구팀은 가시광선 흡수에 한정된 페로브스카이트 소재를 보완하고, 근적외선까지 흡수 범위를 확장하는 유기 광반도체와의 하이브리드 차세대 소자 구조를 연구했다. 그 결과, 해당 구조에서 주로 발생하는 전자구조 문제를 밝히고 다이폴 층(쌍극자 층)을 도입해 이를 해결한 고성능 태양전지 소자를 발표했다.

기존 납 기반 페로브스카이트 태양전지는 850나노미터(nm) 이하 파장의 가시광선 영역에만 흡수 스펙트럼이 제한돼 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못했다.

이에 연구팀은 유기 벌크 이종접합을 페로브스카이트와 결합한 하이브리드 소자를 설계하고, 근적외선 영역까지 흡수하는 태양전지를 제작했다.

우선 나노미터 이하 다이폴 계면 층을 도입해 페로브스카이트와 유기 벌크 이종접합 간 에너지 장벽을 완화하고 전하 축적을 억제, 근적외선 기여도를 극대화하고 전류 밀도를 높였다.

다이폴 도입 페로브스카이트·유기 하이브리드 태양전지.(자료=KAIST)

그 결과, 하이브리드 소자의 전력 변환 효율은 기존 20.4%에서 24.0%로 향상됐다. 내부 양자 효율은 근적외선 영역에서 78%에 달했고, 800시간 이상의 최대 출력 추적에서 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

이정용 교수는 “기존 페로브스카이트·유기 하이브리드 태양전지가 직면한 전하 축적과 에너지 밴드 불일치 문제를 해결했다”며 “근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 높여 기존 페로브스카이트가 가진 기계·화학적 안정성 문제를 해결하고 광학적 한계를 넘을 돌파구가 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)’에 지난 달 30일자 온라인판에 게재됐다.