이정용 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수와 김우재 연세대 화학과 교수 공동 연구진이 기존 가시광선 영역을 뛰어넘어 근적외선의 광 포집을 극대화한 고효율·고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다./pixabay

국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 전력 변환 효율을 크게 높이는 혁신 기술을 개발했다. 차세대 태양전지의 상용화 가능성을 크게 높이고, 글로벌 태양전지 시장에서 중요한 기술적 진전에 기여할 것으로 보인다.

이정용 한국과학기술원(KAIST) 전기및전자공학부 교수와 김우재 연세대 화학과 교수 공동 연구진이 기존 가시광선 영역을 뛰어넘어 근적외선의 광 포집을 극대화한 고효율·고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다고 31일 밝혔다. 이번 연구는 국제 학술지 `어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)’ 온라인판에 지난 9월 30일 게재됐다.

페로브스카이트는 유기·무기 소재의 장점을 모두 가진 물질로, 빛 에너지를 흡수해 전기 에너지로 변환하는 태양전지 소재로 쓰인다. 하지만 기존 납 기반의 페로브스카이트 태양전지는 850㎚(나노미터, 10억분의 1m) 이하 파장의 가시광선 영역만 흡수할 수 있어 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못하는 한계가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 유기 광반도체를 페로브스카이트 소재와 결합한 하이브리드 소자를 설계했다. 개발한 소자는 가시광선뿐 아니라 근적외선까지 흡수할 수 있다. 또 해당 구조에 다이폴(쌍극자) 층을 도입해 소자 성능을 높였다. 다이폴 층은 소자 내 전하 수송을 원활하게 하는 얇은 물질 층을 말한다.

이번 연구의 핵심 성과는 하이브리드 소자의 전력 변환 효율(PCE)을 기존 20.4%에서 24.0%로 대폭 높인 것이다. 특히 이번 연구는 기존 연구들과 비교했을 때, 근적외선 영역에서 78%에 달하는 높은 내부 양자 효율(IQE)을 달성했다. 내부 양자 효율은 물질 내에서 빛 에너지로 변환되는 비율이다. 이 소자는 극한의 습도 조건에서도 800시간 이상 동안 초기 효율의 80% 이상을 유지했다.

이정용 교수는 “이번 연구를 통해 기존 페로브스카이트와 유기 하이브리드 태양전지의 근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 크게 향상시켰다”며 “기존 페로브스카이트가 가진 기계적, 화학적 안정성 문제를 해결하고 광학적 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 돌파구가 될 것”이라고 전했다.

참고 자료

Advanced Materials(2024), DOI: https://doi.org/10.1002/adma.202411015