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KAIST, 탠덤 태양전지 광전효율 26.7% 달성


음이온 첨가제 도입한 페로브스카이트로 고효율, 고안정성 실현

[아이뉴스24 최상국 기자] KAIST를 비롯한 국제 공동 연구팀이 새로운 구조의 고효율 탠덤 태양전지로 26.7%의 광전효율을 달성했다.

세계 최고 수준의 광변환 효율을 가지면서도 페로브스카이트의 안정성을 높인 새로운 물질을 합성하는 데 성공함으로써 탠덤 태양전지의 상용화에 기여할 것으로 기대된다.

KAIST 신소재공학과 신병하 교수 연구팀은 서울대 김진영 교수, 세종대 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사 등과의 공동연구를 통해 밴드갭이 크고 안정성이 뛰어난 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 바탕으로 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 구현했다고 발표했다.

신병하 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1저자로 참여한 이 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스’ 온라인판에 26일 게재됐다.(논문명: Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide bandgap perovskites)

(앞줄 왼쪽부터 반시계방향)신병하 교수, 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사, 서울대 김진영 교수 [KAIST 제공]
(앞줄 왼쪽부터 반시계방향)신병하 교수, 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사, 서울대 김진영 교수 [KAIST 제공]

연구팀은 밴드갭이 큰 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질에 음이온 첨가제를 합성하는 기법으로 태양전지에 사용되는 페로브스카이트의 안정성을 높였다. 일반적인 페로브스카이트 물질의 밴드갭 보다 큰 1.7eV의 밴드갭을 가지면서도 1천시간 구동 후에도 80% 성능을 유지하는 데 성공했다. 이를 통해 제작한 페로브스카이트 태양전지의 광변환 효율은 20.7%, 실리콘과 적층결합한 탠덤 태양전지로는 26.7%로 세계 최고 수준의 광변환 효율을 기록했다.

실리콘과 페로브스카이트를 결합해 만드는 탠덤형 태양전지는 광변환 효율을 높이면서 생산단가는 낮추기 위한 노력의 산물이다. 실리콘을 대체하기 위한 페로브스카이트 등의 차세대 태양전지들은 이제 실리콘에 못지 않은 광전효율을 달성하고 있지만 상용화를 위해서는 실리콘과 같은 안정적인 수명을 보장해야 한다.

KAIST 연구팀은 이번에 개발한 페로브스카이트 안정화 기술이 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것으로 기대하고 있다. 신병하 교수는 "이번 연구는 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질의 안정화 및 고효율화하는 기술을 개발함과 동시에, 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 구현에 초석이 될 것"이라고 말했다.

연구팀에 따르면 탠덤 태양전지의 가장 이상적인 밴드갭 조합은 실리콘 태양전지(~1.1 eV)와 큰 밴드갭 페로브스카이트 물질 (~1.7 eV)을 적층으로 쌓는 것이다. 하지만 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응해 안정성이 낮다. 이 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 있었다.

연구팀은 층상물질을 음이온 첨가제로 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 2차원 안정화 층을 형성했다. 그동안 페로브스카이트의 안정성을 높이기 위해 양이온 첨가제를 도입하는 방법은 있었지만 음이온 첨가제를 도입한 연구는 처음이다. 연구팀은 새로운 음이온 공학법으로 페로브스카이트 박막의 전기적/구조적 특성이 개선되는 것을 확인했으며 고해상도 투과전자현미경 등을 이용해 원리도 규명했다고 밝혔다.

페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성[KAIST 제공]
페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성[KAIST 제공]

신병하 교수는 "이 기술은 향후 첨가제 도입을 통한 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 것"으로 기대했다.

신 교수는 또한 “페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년간 눈부신 발전을 이뤄, 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기"라면서 "효율이 뛰어나면서도 오래 쓸 수 있는 태양전지 개발에 집중하고 있다"고 밝혔다.

최상국 기자 skchoi@inews24.com






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