에너지 절반 활용 못하는 태양전지 한계 극복 기술 개발

카이스트 이정용·연세대 김우재 교수 연구팀
가시광선 넘어 근적외선까지 광포집 가능

카이스트 전기및전자공학부 이정용 교수

국내 연구진이 태양에너지의 절반 정도를 활용하지 못하느 태양전지의 한계를 극복할 수 있는 기술을 개발했다.

카이스트는 전기및전자공학부 이정용 교수 연구팀이 연세대 화학과 김우재 교수 공동 연구팀과 기존 가시광선 영역을 뛰어넘어 근적외선 광 포집을 극대화한 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

기존 납 기반 페로브스카이트(유기·무기 소재의 장점을 모두 가진 소재로, 간단하면서도 저럼한 화학반응으로 만들 수 있다) 태양전지는 850나노미터(nm) 이하 파장의 가시광선 영역에만 흡수 스펙트럼이 제한돼 전체 태양에너지의 52%를 활용하지 못한다는 한계가 있다.

이런 문제점에 주목한 연구팀은 유기 벌크 이종접합(BHJ)을 페로브스카이트와 결합한 하이브리드 소자를 설계해 근적외선 영역까지 흡수할 수 있는 태양전지를 구현했다. 이를 통해 하이브리드 소자의 전력 변환 효율(PCE)을 기존 20.4%에서 24%로 대폭 높였다. 아울러 기존 연구들과 비교했을 때 높은 내부 양자 효율(IQE)을 달성하며 근적외선 영역에서 78%에 달하는 성과를 기록했다고 연구진은 설명했다. 또 개발한 소자는 극한의 습도 조건에서도 800시간 이상의 최대 출력 추적에서 초기 효율의 80% 이상을 유지하는 우수한 성능을 보였다.

이정용 교수는 "이번 연구를 통해 기존 페로브스카이트 유기 하이브리드 태양전지가 직면한 전하 축적 및 에너지 밴드 불일치 문제를 효과적으로 해결했다"며 "근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 크게 향상시켜 기존 페로브스카이트의 기계적-화학적 안정성 문제를 해결하고, 광학적 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 돌파구가 될 것"이라고 말했다.

카이스트 전기및전자공학부 이민호 박사과정과 김민석 석사과정이 공동 제 1저자로 참여한 참여한 이번 연구는 국제 학술지 '어드밴스드 머티리얼스' 온라인에 지난 9월 30일 게재됐다.

최두선 기자 balanceds@hankookilbo.com