고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 개발
고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 개발
  • 함예솔
  • 승인 2020.04.03 16:40
  • 조회수 2180
  • 댓글 0
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요약

 

고효율페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지가 개발됐습니다. 연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔습니다. 이 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했습니다. 이는 향후 30%이상의 초고효율 태양전지 개발과 넓게는 신재생에너지 분야에 이바지할 수 있을 것으로 기대됩니다. 

KAIST 신소재공학과 신병하 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀(서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사)이 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해, 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했습니다. 

태양전지 한계효율 넘다. 출처: AdobeStock
태양전지 한계효율 넘다. 출처: AdobeStock

이번 연구는 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)의 안정화 및 고효율화하는 기술을 개발함과 동시에 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Science>에 게재됐습니다. 

 

태양전지 한계효율 뛰어넘는 연구

 

기존의 단일 태양전지로는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재합니다. 이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들이 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해서 노력하고 있습니다.

 

하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭(~1.7 eV)의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했습니다.

고해상도 투과전자현미경을 통한 2D 패시베이션 물질의 구조적 물성 분석. 출처: KAIST
고해상도 투과전자현미경을 통한 2D 패시베이션 물질의 구조적 물성 분석. 출처: KAIST

연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔습니다. 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했습니다. 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 달성했습니다.

페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성. 출처: KAIST
페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성. 출처: KAIST

연구팀의 기술은 향후 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있으며 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대됩니다. 

(앞줄 왼쪽부터 반시계방향으로) 신병하 교수, 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사. 출처: KAIST
(앞줄 왼쪽부터 반시계방향으로) 신병하 교수, 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사. 출처: KAIST

신병하 교수는 "페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기"라며 "실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것"이라고 전했습니다. 덧붙여 "연구 결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것"으로 전망했습니다.


##참고자료##

 


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