[뉴스프리존,대전=이기종 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 신소재공학과 신병하 교수 연구팀이 서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소(Kai Zhu 박사) 등과 공동으로 큰 밴드갭 페로브스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다고 1일 밝혔다.
기존의 단일 태양전지로는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재한다.
이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들이 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해서 노력하고 있다.
하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했다.
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.
연구과정을 보면 먼저 새로운 음이온을 포함한 첨가제에 역점을 뒀다.
많은 연구자들이 다양한 양이온을 갖는 첨가제 도입법을 이용해 페로브스카이트 박막의 안정성을 개선한 사례는 있어 왔지만 첨가제를 구성하는 음이온의 역할이나 그 원인을 명확하게 밝힌 연구는 전무한 상황이다.
이로 인해 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절하는 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다.
이어 새로운 음이온 공학법을 이용해 합성한 페로브스카이트 박막의 전기적·구조적 특성이 개선되는 것을 확인했다.
이후 고해상도 투과전자현미경(transmission electron microscopy) 분석법 등을 이용해 그 원리를 규명했다.
이 연구결과에 의하면 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)의 안정화와 고효율화하는 기술을 개발했고 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다.
신병하 교수는 “페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기”이라며 “연구결과는 향후 30% 이상의 최고 효율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것”이라고 말했다.
김대한 박사과정이 1 저자로 참여한 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’에 3월 26일 게재됐다.
이 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, BK21 사업의 지원을 통해 수행됐다.