DGIST, 양면으로 빛 모아 발전 효율 높였다…차세대 탠덤 태양전지 개발

투명 전극 두께 최적화로 양면 발전 성능 극대화
‘페로브스카이트-CIGS’ 4단자 구조 적용…국제학술지 ‘Carbon Energy’ 게재

DGIST 황대규 책임연구원, 김대환 책임연구원, 손대호 선임전임연구원, Amanat Ali 석박통합과정생(왼쪽부터). /DGIST 제공

대구경북과학기술원(DGIST) 연구진이 앞면뿐 아니라 바닥 등에 반사된 빛까지 활용하는 차세대 양면형 탠덤 태양전지를 개발하며 고효율 태양광 발전 기술 상용화 가능성을 높였다.

30일 DGIST에 따르면 에너지환경연구부 황대규·김대환 연구팀이 양면 박막 태양전지의 발전 성능을 극대화하고 이를 기반으로 한 4단자 페로브스카이트-CIGS 탠덤 태양전지를 구현해 최고 수준의 양면 발전밀도를 달성했다.

최근 AI 데이터센터 확산 등으로 전력 수요가 급증하면서 제한된 공간에서 더 많은 전력을 생산할 수 있는 고효율 태양전지 개발의 중요성이 커지고 있다. 특히 전면뿐 아니라 후면으로 들어오는 반사광까지 활용하는 양면형 탠덤 태양전지는 발전 효율을 높일 차세대 기술로 주목받고 있다.

하지만 기존 양면형 CIGS 박막 태양전지는 투명 전극과 광흡수층 사이에 불필요한 산화물이 형성되면서 전하 이동이 원활하지 않아 발전 효율이 떨어지는 문제가 있었다.

양면형 4단자 페로브스카이트-CIGS 탠덤 태양전지의 후면광 발전 개념도. /DGIST제공

연구팀은 이 같은 한계를 해결하기 위해 투명 후면전극의 두께를 200나노미터(nm)로 정밀하게 조절하고 은(Ag) 합금화 공정을 적용해 산화물 층 생성을 억제했다. 이를 통해 전하 수집 효율을 높여 양면 발전 성능을 크게 향상시키는 데 성공했다.

최적화된 양면형 CIGS 태양전지는 실제 반사광 환경을 모사한 실험에서 19.05mW/㎠의 양면 발전밀도를 기록했다. 이어 짧은 파장의 빛을 효과적으로 흡수하는 페로브스카이트 태양전지를 상부에 적층한 4단자 탠덤 구조를 구현해 28.42mW/㎠의 최고 수준 양면 발전밀도를 달성했다.

연구팀은 이번 기술이 태양광의 흡수 범위를 넓히고 다양한 빛 입사 환경에서도 안정적인 발전 성능을 구현할 수 있어 차세대 태양광 발전 시스템의 경쟁력을 높일 것으로 기대하고 있다.

황대규 책임연구원은 “4단자 탠덤 태양전지는 상부와 하부 셀이 독립적으로 작동하기 때문에 다양한 빛 입사와 반사 환경에 유연하게 대응할 수 있어 상용화에 유리하다”고 설명했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐으며, 연구 성과는 에너지 분야 국제 저명 학술지인 ‘Carbon Energy’에 게재됐다.

/김재욱기자 kimjw@kbmaeil.com