한국 연구진이 기존 페로브스카이트 태양전지가 가진 문제점을 극복하고, 근적외선 광 포집 성능을 극대화한 혁신적인 태양전지 기술을 개발했다. 이는 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못하는 한계를 해결하며, 차세대 태양전지의 상용화 가능성을 높이고 글로벌 시장에서 중요한 기술적 진전을 이루게 할 전망이다.
KAIST 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀과 연세대학교 화학과 김우재 교수 공동 연구팀은 근적외선 영역에서의 광 포집을 극대화한 고효율·고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다고 31일 밝혔다.
연구팀은 기존 페로브스카이트 소재의 가시광선 흡수 한계를 보완하기 위해 유기 광반도체와의 하이브리드 구조를 설계하고 고도화하였다. 또한, 해당 구조에서 발생하는 전자구조 문제를 해결하기 위해 다이폴 층을 도입하여 성능을 획기적으로 개선했다. 다이폴 층은 소자 내 에너지 준위를 조절하고 전하 수송을 원활하게 하여 소자 성능을 향상시키는 역할을 한다.
기존의 납 기반 페로브스카이트 태양전지는 850나노미터(nm) 이하 파장의 가시광선에만 흡수 스펙트럼이 제한되어 전체 태양 에너지의 상당 부분을 활용하지 못했다. 이를 극복하기 위해 연구팀은 유기 벌크 이종접합(BHJ)을 페로브스카이트와 결합한 하이브리드 소자를 설계하여 근적외선 영역에서도 흡수할 수 있는 태양전지를 구현했다.
특히, 나노미터 이하의 다이폴 계면 층을 도입해 페로브스카이트와 유기 벌크 이종접합(BHJ) 간의 에너지 장벽을 완화하고 전하 축적을 억제하여 근적외선 기여도를 극대화하는 데 성공했다. 그 결과, 전류 밀도(JSC)를 4.9 mA/cm² 향상시키는 성과를 올렸다.
이번 연구의 주요 성과는 하이브리드 소자의 전력 변환 효율(PCE)을 기존 20.4%에서 24.0%로 대폭 증가시킨 것이다. 특히, 높은 내부 양자 효율(IQE)을 달성하며 근적외선 영역에서 78%에 달하는 성과를 기록했다. 또한, 이 소자는 극한의 습도 조건에서도 800시간 이상의 최대 출력 추적에서 초기 효율의 80% 이상을 유지하는 뛰어난 안정성을 보였다.
이정용 교수는 “이번 연구를 통해 페로브스카이트/유기 하이브리드 태양전지가 직면한 전하 축적 및 에너지 밴드 불일치 문제를 효과적으로 해결했다”며, “근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 크게 향상시켜 기존 페로브스카이트의 기계적-화학적 안정성 문제를 해결하고 광학적 한계를 뛰어넘는 새로운 돌파구가 될 것”이라고 말했다.
이번 연구는 KAIST 전기및전자공학부 이민호 박사과정과 김민석 석사과정이 공동 제1 저자로 참여하였으며, 국제 학술지 '어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)'의 9월 30일 자 온라인판에 게재됐다.
한편 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.
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