KAIST, 고효율·고안정 ‘차세대 태양전지’ 개발

현재 일반적으로 쓰이는 페로브스카이트 태양전지는 태양 에너지의 52%가량을 활용하지 못하는 문제를 갖는다. 이러한 단점을 극복할 차세대 태양전지 기술이 국내에서 개발됐다.

KAIST는 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀이 연세대 화학과 김우재 교수 연구팀과 공동으로 고효율·고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

페로브스카이트·유기 하이브리드 소자 구조와 다이폴 계면층(DILs)을 통한 전자구조 개선 및 전하 전달 능력 향상 메커니즘. KAIST 제공

개발한 기술은 기존 가시광선 영역을 넘어 근적외선 빛(光) 포집을 극대화한다. 또 전력 변환 효율을 향상해 글로벌 태양전지 시장에 기술적 진전을 이끌 수 있을 것으로 기대된다.

우선 공동연구팀은 가시광선 흡수에 한정된 기존 페로브스카이트 소재를 보완하고, 근적외선까지 흡수 범위를 확장한 유기 광 반도체의 하이브리드 차세대 소자 구조를 고도화했다.

이어 다이폴 층을 도입해 고도화된 소자 구조에서 발생하는 전자 구조 문제를 해결한 고성능 태양전지 소자를 개발하는 데 성공했다. 다이폴 층은 소자 안 에너지 준위를 조절해 전하 수송을 원활하게 하고, 계면의 전위차를 형성해 소자 성능을 높이는 얇은 물질 층을 말한다.

기존 납 기반의 페로브스카이트 태양전지는 850나노미터(nm) 이하 파장의 가시광선 영역으로 흡수 스펙트럼이 제한돼 전체 태양 에너지의 절반가량을 활용하지 못했다.

하지만 공동연구팀이 개발한 태양전지는 유기 벌크 이종접합(BHJ)을 페로브스카이트와 결합한 하이브리드 소자로 설계돼 근적외선 영역까지 흡수할 수 있는 장점이 있다.

특히 나노미터 이하 다이폴 계면 층의 도입으로 페로브스카이트와 유기 벌크 이종접합(BHJ) 간 에너지 장벽을 완화하고, 전하 축적을 억제하는 동시에 근적외선 기여도를 극대화했다. 이를 통해 전류 밀도(JSC)는 4.9mA/cm² 높아졌다고 공동연구팀은 설명했다.

이번 연구의 핵심 성과는 하이브리드 소자의 전력 변환 효율(PCE)을 기존 20.4%에서 24.0%로 대폭 높인 것으로, 기존 연구와 비교했을 때 높은 내부 양자 효율(IQE)을 달성해 근적외선 영역을 78%로 높였다.

무엇보다 이 소자는 높은 안정성으로 극한의 습도 조건에서도 800시간 이상의 최대 출력 추적에서 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

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이 교수는 “공동연구팀은 기존 페로브스카이트와 유기 하이브리드 태양전지가 직면한 전하 축적 및 에너지 밴드 불일치 문제를 효과적으로 해결하고, 근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서 전력 변환 효율을 크게 향상시켰다”며 “기존 페로브스카이트가 가진 기계·화학적 안정성 문제를 해결해 광학적 한계를 뛰어넘을 돌파구를 마련했다는 점이 주된 연구성과”라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.

대전=정일웅 기자 jiw3061@asiae.co.kr