요약
실리콘 반도체의 약점을 극복하기 위해 유연한 화합물 반도체와 가성비 좋은 페로브스카이트 반도체가 만났습니다. 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs)위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층 구조 탠덤 태양전지를 구현했습니다. 얇은 박막 형태로 빛을 흡수할 수 있어 경량화와 유연화에 유리합니다.
태양빛을 흡수해 전기를 만드는 태양전지의 소재로 널리 쓰이는 게 실리콘 반도체인데요. 태양광의 발전으로 널리 활용되고 있지만 두껍고 딱딱해 용도가 한정적이었습니다. 이러한 약점을 극복하기 위해 유연한 화합물 반도체와 가성비 좋은 페로브스카이트 반도체가 만났습니다.
유연하고 경제적으로
그 가운데 실리콘 반도체에 비해 효율이 높고 경량화와 유연화에 유리하지만 제작 비용이 비싸 활용에 제약이 있었던 화합물 반도체 태양전지의 발전단가를 낮출 수 있는 경제적인 방법이 보고됐습니다. 한양대학교 박희준 교수와 아주대학교 이재진 교수 연구팀이 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs)위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현했습니다. 장파장 빛을 흡수하는 화합물 반도체 결정 위에 단파장의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 박막을 적층, 보다 다양한 파장의 빛을 활용하도록 함으로써 전기에너지 변환 효율을 높이는 방식입니다.
하지만 화합물 반도체 제작에 높은 비용의 유기금속화학증착법이 이용되는 만큼 광변화효율을 높여 발전단가를 낮추는 것이 실용화의 관건이었습니다. 기존에도 단파장 빛을 흡수하는 인륨-갈륨-인(InGaP) 태양전지를 갈륨-비소 화합물 태양전지 위에 적층해 효율을 높이려는 시도는 있었습니다. 하지만 인듐-갈륨-인 태양전지는 제작비용이 높고 복잡한 구조 때문에 오히려 발전단가를 상승시켰습니다.
이에 연구팀은 저온 용액 공정으로 손쉽게 제작할 수 있는 가성비 좋은 페로브스카이트 박막을 적층하는 방식으로 화합물 반도체 태양전지의 효용가치를 높이는 구조를 설계했습니다. 실제 연구팀이 구현한 복층구조의 태양전지를 적용한 결과 갈륨-비소 태양전지의 성능을 15% 이상 끌어올렸습니다. 이번 연구는 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다.
태양전지 개발에 새로운 동력을 제공한다
이번 연구는 경제적인 페로브스카이트를 활용해 화합물 반도체 소자의 효용성을 높일 수 있다는 걸 보여줬습니다. 가볍고 유연한 화합물 반도체가 태양전지의 광전환효율을 높이기 위해 다른 흡수파장을 갖는 고가의 또 다른 화합물반도체를 적층하는 대신 저가의 페로브스카이트를 활용한 탠덤구조 태양전지구현으로 기존 적층에 따른 높은 비용 상승 부담을 완화했습니다. 전 세계 태양전지 시장의 90%가 실리콘 반도체 기반인 상황에서 화합물 반도체 기반의 차세대 고효율 태양전지 개발에 새로운 동력을 제공할 것으로 기대됩니다.
두껍고 딱딱한 실리콘 반도체와 달리 화합물 반도체는 얇은 박막 형태로 빛을 흡수할 수 있어 경량화와 유연화에 유리합니다. 때문에 자동차, 무인비행기, 웨어러블 기기 및 loT 센서 등의 동력원으로 주목받습니다.
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