태양전지 광변환 효율 26.7% 달성

KAIST, 고효율 페로브스카이트-실리콘 이중구조 개발
30% 한계효율 뛰어넘을 태양전지 개발 기대

[파이낸셜뉴스] 국내 연구진이 해외 공동연구를 통해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 태양전지를 개발했다. 연구진은 이 기술을 발전시켜 향후 태양전지 효율의 한계점이라는 30%를 뛰어넘을 것으로 전망하고 있다.

한국과학기술원(KAIST) 신소재공학과 신병하 교수 연구팀 주도의 공동 연구진이 페로브스카이트와 실리콘을 결합한 탠덤 태양전지를 개발했다고 30일 밝혔다.

연구진은 이에 앞서 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 이중 결합 태양전자에 적용했다.

신병하 교수는 "페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기"라고 말했다.

페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 있다. 연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다.

공동 연구팀은 더 나아가 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 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대하고 있다. 신병하 교수는 "실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.

이번 연구결과는 국제 학술지 '사이언스(Science)' 지난 26일자 온라인판에 게재됐다.

신병하 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1 저자로 참여했으며 서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 카이 쥬 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사가 공동으로 연구를 진행했다.

한편, 기존의 단일 태양전지로는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 '쇼클리-콰이저' 이론이 존재한다. 이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들이 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해서 노력하고 있다.

[e-mail] 김만기 기자