초고효율 태양전지 개발···'최고 수준 26%' 달성

신병하 KAIST 교수 공동 연구팀, 페로스카이트-실리콘 결합
향후 발광 다이오드·광 검출기 등 광전자 소자 분야 응용 기대
(앞줄 왼쪽부터 반시계방향)신병하 KAIST 교수, 김대한 박사과정, 김동회 세종대 교수, 박익재 서울대 박사, 김진영 서울대 교수. <사진=KAIST 제공>(앞줄 왼쪽부터 반시계방향)신병하 KAIST 교수, 김대한 박사과정, 김동회 세종대 교수, 박익재 서울대 박사, 김진영 서울대 교수. <사진=KAIST 제공>

국내 연구진이 해외 공동연구를 통해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 태양전지를 개발했다. 연구진은 해당 기술을 발전시켜 향후 태양전지 효율의 한계점인 30%를 뛰어넘을 것으로 전망하고 있다.

KAIST(총장 신성철)는 신병하 신소재공학과 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀이 큰 밴드갭의 페로브스카이트 물질을 개발, 이를 실리콘과 결합한 고효율 탠덤 태양전지를 구현했다고 30일 밝혔다.

페로브스카이트는 빛 흡수 능력이 가장 뛰어난 하이브리드 소재로 LED, X-ray등에 활용되고 있다. 하지만 빛, 수분, 산소 등에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했다.

연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입, 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층의 전기적·구조적 특성 조절이 가능하다는 것을 알아냈다. 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 페로브스카이트를 제작했다.

공동 연구팀은 더 나아가 페로브스카이트 물질을 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.

이는 향후 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있으며 페로브스카이트를 이용한 태양전지·발광 다이오드·광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 것으로 기대된다.

신병하 교수는 "실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당길 것"이라며 "연구결과는 향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것이다"라고 말했다.

이번 연구결과는 신병하 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1 저자로 참여했으며 국제 학술지 '사이언스(Science)'에 지난 26일 게재됐다.

페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성. <사진=KAIST 제공>페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성. <사진=KAIST 제공>
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