`페로브스카이트 태양전지` 효율 한계 넘어서다…근적외선까지 흡수, 25% 효율 달성

KAIST, 유무기 하이브리드 태양전지 기술 확보
다이폴층 도입해 근적외선 흡수 확장..24% 효율

KAIST는 가시광선 영역뿐 아니라 근적외선까지 흡수 범위를 확장한 '페로브스카이트 유무기 하이브리드 태양전지 기술'을 개발했다. KAIST 제공

차세대 태양전지로 각광받는 '페로브스카이트 태양전지'의 전력 변환 효율을 높일 수 있는 기술이 개발됐다. 차세대 태양전지 상용화 가능성을 크게 높이고, 글로벌 태양전지 시장에서 기술 진전을 가속화하는 데 기여할 것으로 기대된다.

KAIST는 이정용 전기및전자공학부 교수와 김우재 연세대 화학과 교수 연구팀이 공동으로 기존 가시광선 영역뿐 아니라 근적외선 영역까지 흡수 범위를 넓혀 광 포집을 극대화한 '유·무기 하이브리드 태양전지 제작 기술'을 개발했다고 31일 밝혔다.

페로브스카이트 태양전지는 유기·무기 소재의 장점을 모두 가진 물질인 페로브스카이트를 광활성층으로 사용해 기존 실리콘 태양전지보다 효율이 높고 용액 공정으로 저렴하게 대량 생산할 수 있다.

하지만 기존 납 기반의 페로브스카이트 태양전지는 850㎚ 이하 파장의 가시광선 영역만 흡수할 수 있어 전체 태양 에너지의 52%를 활용하지 못하는 한계가 있었다.

연구팀은 유기 벌크 이종접합(유기 광활성층)을 페로브스카이트 소재와 결합한 하이브리드 소자를 설계해 가시광선뿐 아니라 근적외선 영역까지 흡수할 수 있는 하이브리드 태양전지 소자를 개발했다. 소자 성능을 높이기 위해 나노미터 이하 두께의 다이폴(쌍극자) 계면층을 도입함으로써 페로브스카이트와 유기 벌크 이종접합 간 에너지 장벽을 줄여 전자의 효율적 수송을 가능케 했다. 다이폴은 소자 내 에너지 준위를 조절해 전하 수송을 원활하게 하고, 전위차를 형성하는 얇은 물질층을 뜻한다.

개발된 하이브리드 소자의 전력 변환 효율은 기존 20%에서 24%로 대폭 향상됐는데, 이는 납 기반 하이브리드 태양전지 세계 최고 성능(23%)을 넘어섰다. 아울러 근적외선 영역의 광 포집을 극대화해 상대습도 80% 이상의 극한 수분 환경에서도 1600시간 이상 80% 이상의 성능을 유지하는 등 높은 안정성을 보였다고 연구팀은 설명했다.

이정용 KAIST 교수는 "기존 페로브스카이트가 가진 기계적·화학적 안정성 문제를 해결하고 광학적 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 돌파구가 될 것"이라고 말했다.

이 연구결과는 국제 학술지 '어드밴스드 머터리얼즈(지난 9월 30일자)' 온라인에 실렸다. 이준기기자 bongchu@dt.co.kr