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.