페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성(KAIST 제공)© 뉴스1

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(대전=뉴스1) 김태진 기자 = KAIST(총장 신성철)는 신소재공학과 신병하 교수 연구팀이 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 개발했다고 30일 밝혔다.

신 교수팀이 연구를 주도하고, 서울대학교 김진영 교수, 세종대학교 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사가 참여했다.

공동 연구팀(이하 연구팀)은 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지를 구현했다.

기존의 단일 태양전지로는 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재한다.

때문에 연구자들은 이를 극복하기 위해 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발에 박차를 가하고 있다.

하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계에 부딪힌다.

이에 연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝히고, 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다.

또 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.

연구팀은 이 기술이 향후 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시하고, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대했다.

신병하 교수(앞줄 앉은이 왼쪽부터 반시계방향), 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사, 서울대 김진영 교수(KAIST 제공)© 뉴스1

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신 교수는 “실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것”이라며 “향후 30% 이상의 초고율 탠덤 태양전지 구현에 초석이 될 것”이라고 말했다.

이번 연구는 한국연구재단 나노소재기술개발사업, 중견연구자지원사업, 산업통상자원부(MOTIE)와 한국에너지기술평가원(KETEP) 에너지기술개발사업, 알키미스트 프로젝트, BK21 사업의 지원을 통해 수행됐다.

이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 온라인 판에 지난 26일 게재됐다.
memory444444@nate.com

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