이종소재 하이브리드 태양전지 개발...차세대 태양전지 상용화 가까워져

국내 연구진이 무기 페로브스카이트 태양전지 사용화 분기점인 20%에 가까운 18%의 효율의 태양전지를 개발해 주목받고 있다. 

22일 울산과학기술원(UNIST) 에너지화학공학과의 장성연 교수팀은 이종 소재 하이브리드 태양전지를 개발했다고 밝혔다. 

무기 페로브스카이트 태양전지와 성질이 다른 고분자 태양전지를 이어 붙인 기술로, 연구진은 무기 페로브스카이트 물질이 흡수하지 못하는 태양광 근적외선 영역을 고분자 소재가 대신 흡수하는 방법으로 전지 효율을 높였다고 설명했다. 

페로브스카이트(Perovskite)는 ‘페로브스카이트’라는 광물의 결정구조를 갖는 물질을 통칭하는 말로 페로브스카이트 태양전지는 이 물질을 태양광 흡수층(광활성층)으로 쓰는 전지다.

차세대 태양전지는 유기고분자, 페로브스카이트, 양자점(Quantum Dot), 염료(Dye) 등의 다양한 광활성층 소재를 사용하는데 소재별로 효율적으로 흡수할 수 있는 주요 파장영역대가 다르다. 

이로인해 단일 소재로는 태양광 흡수가 제한적이라는 단점이 있다. 그동안 이종의 소재를 하나의 태양전지 소자에 복합화하려는 노력이 많이 시도됐으나 의미있는 연구결과를 얻는 데 어려움이 많았다고 한다. 

광흡수 소재로 무기물 페로브스카이트를 쓰면 일반 유·무기물 혼합 페로브스카이트 소재보다 열에 대한 안정성이 훨씬 우수한 태양전지를 만들 수 있다. 휘발성 물질이 없고 구조적으로 안정하기 때문인데 허나 이 물질로 태양전지로 만들었을 때 일반 유·무기물 혼합 페로브스카이트 소재보다 효율이 떨어진다는 것이다. 

UNIST 연구팀은 두 종류의 광흡수층을 함께 쓰는 방식으로 약점을 보완해 페로브스카이트 단위 전자와 고분자 소재 단위 전지가 상하로 직렬 연결된 '1+1' 탠덤 구조' 전지를 만들었다. 

페로브스카이트 단위 전지는 태양광 가시광성 영역을 흡수하고, 고분자 소재 단위 전지는 근적외선 영역을 흡수하는 원리다. 

장성연 교수는 “광학시뮬레이션을 통해 상호보완적인 태양광 흡수 영역을 갖는 페로브스카이트와 고분자 소재를 각각 디자인하고, 두 개의 단위 전지를 결합할 때 발생하는 ‘전압 손실’을 최소화해 효율을 크게 높일 수 있었다”고 말했다. 

특히 새롭게 개발한 페로브스카이트·고분자 하이브리드 탠덤 태양전지는 전체 제조 공정을 ‘저온용액공정법’을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 액체 용매에 전지재료를 분산시킨 뒤 인쇄하듯 찍어내는 방식이다. 그 덕분에 기존 실리콘 태양전지보다 대량생산에 유리하고 제조비용도 싸다.

장성연 교수는 “이번에 개발된 하이브리드 탠덤 태양전지는 각 소재가 갖는 장점을 최대치로 끌어내는 기술이 적용됐다”며 “이를 통해 향후 28% 이상의 고효율·고안정성 무기 페로브스카이트 기반 태양전지를 개발할 수 있을 것” 이라고 기대했다.

이번 연구는 한국연구재단과 중견연구자과제와 기후변화대응과제의 지원으로 수행됐으며, 에너지 소재 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 논문명 'High-Efficiency Solution-Processed Two-Terminal Hybrid Tandem Solar Cells Using Spectrally Matched Inorganic and Organic Photoactive Materials'로 10월 6일자로 출판됐다.

포인트경제 김지연 기자