요약
양자점의 '약점'을 보완한 태양전지가 등장했습니다. '가시광 영역'에서 높은 광 흡수 특성을 보이는 '양자점' 소재와 '근적외선 영역'에서 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있는 '유기 고분자'를 하나의 태양전지 소자에 복합화했습니다. 그 결과 가시광에서 근적외선 영역까지 효과적으로 태양광을 흡수하는 '하이브리드 태양전지'를 개발하는 데 성공했습니다.
양자점 태양전지는 상용화된 실리콘 전지보다 유연하고 가벼울 뿐만 아니라 제조공정이 간단하다는 장점이 있습니다. 이러한 양자점 태양전지에 다른 유기물을 더해 성능을 극대화한 기술이 나왔습니다.
UNIST 에너지 및 화학공학부의 장성연 교수팀은 무기나노소재인 '양자점(Quantum Dot)'과 '유기 고분자 소재'를 하나의 태양전지에 접합한 '양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지'를 개발했습니다. 유기 고분자 소재가 양자점이 잘 흡수하지 못하는 태양광 영역을 대신 흡수해 전체 태양광 흡수를 극대화하고 전지의 효율도 높인 기술입니다. 해당 연구는 <Advanced Energy Materials>에 게재됐습니다.
양자점이 흡수 못하는 근적외선, 유기 고분자 소재가 흡수한다
양자점은 반도체를 아주 작게 만든 물질입니다. 입자 크기가 매우 작아지면서 나타나는 특이한 현상 덕분에 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유자재로 바꿀 수 있습니다. 따라서 다른 광활성층 물질은 흡수하지 못하는 적외선 영역까지도 흡수한다는 게 양자점의 장점으로 꼽힙니다. 하지만 양자점으로도 근적외선 영역 중 흡수가 잘 일어나지 않는 일부 구간이 있었습니다.
- 양자점(퀀텀닷)
아주 작은 반도체 입자로, 입자가 매우 작아서 나타나는 ‘양자구속현상’이 일어난다. 때문에 크기, 모양, 구조에 따른 밴드갭(원래는 물질 고유특성) 조절이 가능해 흡수할 수 있는 파장이 영역이 넓습니다.
- 하이브리드 탠덤 태양전지
한 소자에 두 개 혹은 그 이상의 광활성층이 겹겹이 적층되어 구동되는 태양전지이며 주로 장파장(적외선등) 영역을 흡수하는 하부셀(back-cell), 단파장(가시광선 등)을 흡수하는 상부셀(front-cell)로 구성됩니다.
- 광활성층
태양광을 받아 전자의 흐름을 만들어내는 부분으로, 결정질 실리콘과 유기 고분자, 페로브스카이트 등의 물질이 사용됩니다. 기존에는 주로 가시광선 영역을 흡수하는 물질이 광활성층으로 사용됐습니다.
이번 연구에서는 근적외선 영역에서 광 흡수 특성이 좋은 '유기 고분자 소재'를 더해 태양광 활용 영역을 넓힌 '하이브리드 태양전지'를 개발했습니다. 양자점을 광활성층으로 사용하는 단위 전지(sub-cell)와 '유기 고분자 소재' 단위 전지가 상하로 직렬 연결된 '탠덤 구조'로 양자점이 흡수하지 못하는 근적외선을 유기 고분자 소재가 흡수하는 형태입니다.
'중간층' 개발해 광전변환효율 높이다
여기에 더해 연구팀은 전압 손실을 최소화할 수 있는 '중간층'을 개발해 광전변환효율을 최적화 했습니다. 광전변환효율은 입사된 태양광을 전기 에너지로 변환하는 능력인데 이는 '전자의 수'와 각 전자의 위치 에너지, 즉 '전압'에 따라 결정됩니다. 그런데 탠덤 태양전지에서는 각각의 단위 전지를 직렬로 연결하는 과정에서 '중간층'에서 전압 손실이 발생하면 전체 효율이 낮아지게 됩니다.
연구팀은 이 부분을 보완하기 위해 최적화된 중간층의 소재와 구조를 개발했습니다. 개발한 중간층을 이용해 두 단위 전지를 직렬로 연결하자 각각의 물질을 광활성층으로 사용한 태양전지보다 15%나 향상된 12.82%의 광전변환효율을 얻었습니다.
특히 새롭게 개발한 양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지는 전체 제조 공정을 ‘상온’에서 진행할 수 있으며 용액을 이용해 손쉽게 만드는 '용액공정'을 씁니다. 그 덕분에 기존 실리콘 태양전지보다 대량 생산에 유리하고, 제조 비용도 저렴합니다.
- 용액공정
필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정으로 인쇄기법이 가능하여 대면적 소자 제작이 쉽습니다.
장성연 교수는 "이번에 개발한 하이브리드 탠덤 태양전지는 유·무기 소재를 하나의 태양전지 소자에 성공적으로 적용해 각 소재의 특성을 최대로 살렸다"며 "특히 기존 양자점 태양전지에서 흡수하기 어려웠던 특정 근적외선 영역을 유기 고분자를 이용해 흡수했다는 데 큰 의미가 있다"고 강조했습니다.
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