음이온 첨가 통해 페로브스카이트 기반 고효율 탠덤 태양전지 제작
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음이온 첨가 통해 페로브스카이트 기반 고효율 탠덤 태양전지 제작
  • 엄창용 기자
  • 승인 2020.05.26 23:25
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(논문명) Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide bandgap perovskites - 'Science'

신소재공학과 신병하 교수가 참여한 공동 연구팀이 큰 띠틈을 가지는 페로브스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해 높은 광변환 효율*을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤**(Tandem) 태양전지를 구현했다. 이번 연구는 지난 3월 26일 ‘사이언스(Science)’ 온라인판에 게재됐다.

 

광흡수층 적층해 태양전지 효율 높여

태양에너지를 이용해 전기를 생산하는 태양전지는 신재생에너지 분야에서 발전 가능성이 높은 기술로서 꾸준히 주목받고 있다. 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론을 기반으로 1개의 광흡수층을 사용한 기존의 단일 접합 태양전지는 약 30% 초반의 한계 효율을 뛰어넘을 수 없었다. 이러한 단일 접합 태양전지의 한계 효율을 극복하기 위해 2개 이상의 광흡수층을 직렬로 적층한 탠덤 태양전지 기술에 대한 많은 연구가 진행되고 있다. 최근에는 실리콘 태양전지와 최적으로 적층 가능한 큰 띠틈의 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)이주목받고 있다. 하지만 페로브스카이트 물질은 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성을 가져 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재한다.

 

광변환 효율 높인 음이온 첨가 방식 

연구팀은 반도체 물질을 박막으로 사용하는 전기 소자의 결정립계(Grain Boundary)를 효과적으로 안정화하기 위해 음이온을 포함한 새로운 첨가제를 활용했다. 결정립계는 서로 다른 결정 방향을 갖는 결정 사이에 존재하는 경계면이다. 이를 안정화해 전자나 정공과 같은 태양 에너지로부터 생성된 전하운반자를 재결합으로 인한 손실을 줄이며 효율적으로 수집할 수 있었다. 연구팀은 음이온 첨가제 기법을 이용하면 2차원 안정화 층이 박막의 결정립계에 형성되는 메커니즘에 영향을 준다는 것을 밝혀냈고, 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(Passivation Layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 사실을 알아냈다. 이러한 합성 페로브스카이트 박막은 전하의 이동 정도 및 재결합 수명에서 우수한 전기적 물성을 보여주었고, 태양전지 소자에서도 높은 개방 전압과 전류 밀도 값을 얻을 수 있었다. 공동 연구팀은 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광변환 효율을 달성했다.

페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 실리콘 태양전지에 페로브스카이트 물질을 적층한 탠덤 태양전지는 넓은 파장 범위에서도 높은 광변환 효율과 개방 전압 및 전류 밀도 값을 가진다.ⓒ신병하 교수 제공
페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율
실리콘 태양전지에 페로브스카이트 물질을 적층한 탠덤 태양전지는 넓은 파장 범위에서도 높은 광변환 효율과 개방 전압 및 전류 밀도 값을 가진다.
ⓒ신병하 교수 제공

​​​​​​​페로브스카이트 물질의 단점 극복해

이번 연구는 과거 불안정하다고 알려진 페로브스카이트 물질의 안정화 및 고효율화를 위한 기술을 개발했다. 동시에 이를 실리콘 태양전지에 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 향후 광변환 효율 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 앞으로의 방향을 제시할 수 있으며 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다. 

 

이번 연구에 제1 저자로 참여한 김대한 박사 과정은 “새로운 음이온 공법을 이용해 페로브스카이트 박막의 전기적·구조적 특성을 개선했다”며 “기존에 명확하게 밝혀지지 않았던 첨가제를 구성하는 음이온의 역할과 원리를 고해상도 투과전자현미경으로 규명하는데 성공했다”라고 연구 의의를 전했다. 이어 신 교수는 “본 연구를 기반으로 실리콘과 비슷한 띠틈 에너지를 가지면서 유연소자를 구현할 수 있는 Cu(In,Ga)(S,Se)2 (CIGS) 태양전지와 페로브스카이트 태양전지의 탠덤 적층을 연구할 것”이라고 추후 연구 계획을 밝혔다.

 

광변환 효율*
입사되는 태양광 에너지와 태양전지에서 출력되는 전기 에너지의 비율로 빛을 전기로 전환하는 비율.

탠덤**
태양광 파장을 흡수하는 광흡수층을 둘 이상 사용해 서로 다른 영역의 태양광을 모두 활용하는 기술.


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