UNIST 장성연 교수팀, 고안정 페로브스카이트 소재 약점 보완
가시광선ㆍ근적외선 모두 흡수해 효율 상용화 분기점 앞당겨
장성연(오른쪽) 교수팀
국내 연구진이 18% 효율의 무기 페로브스카이트 태양전지를 개발해 상용화에 파란불이 켜졌다. 현재 12.5%의 효율을 분기점(20%)에 가깝게 45%나 끌어올려 업계의 주목을 받고 있다.
UNIST(총장 이용훈) 에너지화학공학과의 장성연 교수팀은 이종 소재 하이브리드 태양전지를 개발했다고 22일 밝혔다. 무기 페로브스카이트 태양전지와 성질이 다른 고분자 태양전지를 이어 붙인 ‘1+1 기술’로, 흡수하지 못하는 태양광 근적외선 영역을 고분자 소재가 대신 흡수하는 방법으로 전지 효율을 높였다.
광흡수 소재(광활성층)로 무기물 페로브스카이트를 쓰면 일반 유ㆍ무기물 혼합 페로브스카이트 소재보다 열에 대한 안정성이 훨씬 우수한 태양전지를 만들 수 있다. 휘발성 물질이 없고 구조적으로 안정하기 때문이지만 이 물질로 태양전지로 만들었을 때 일반 유·무기물 혼합 페로브스카이트 소재보다 효율이 떨어진다.
연구진은 두 종류의 광흡수층을 함께 쓰는 방식으로 무기물 페로브스카이트 태양전지의 약점을 보완했다. ‘페로브스카이트 단위 전지(sub-cell)’와 ‘고분자 소재 단위 전지‘가 상하로 직렬 연결된 ‘1+1 탠덤 구조’ 전지를 만든 것이다. 페로브스카이트 단위 전지는 태양광 가시광선 영역을, 고분자 소재 단위 전지는 근적외선 영역을 흡수하는 원리다.
장 교수는 “광학시뮬레이션을 통해 상호보완적인 태양광 흡수 영역을 갖는 페로브스카이트와 고분자 소재를 각각 디자인하고, 두 개의 단위 전지를 결합할 때 발생하는 ‘전압 손실’을 최소화해 효율을 크게 높일 수 있었다”고 설명했다.
특히 새롭게 개발한 페로브스카이트·고분자 하이브리드 탠덤 태양전지는 전체 제조 공정을 ‘저온용액공정법’을 통해 손쉽게 제조할 수 있다. 액체(용매)에 전지재료를 분산시킨 뒤 인쇄하듯 찍어내는 방식이어서 실리콘 태양전지보다 대량생산에 유리하고, 제조비용도 싸다.
장 교수는 “이번에 개발된 하이브리드 탠덤 태양전지는 각 소재가 갖는 장점을 최대치로 끌어내는 기술이 적용됐다”며 “이를 통해 향후 28% 이상의 고효율ㆍ고안정성 무기 페로브스카이트 기반 태양전지를 개발할 수 있을 것” 이라고 전망했다.
한편 페로브스카이트는 광물의 결정구조를 갖는 물질을 통칭하는 말로 페로브스카이트 태양전지는 이 물질을 태양광 흡수층(광활성층)으로 쓰는 전지다. 원래 1839년 러시아 우랄산맥에서 새로 발견된 광물에 붙여진 이름으로, 19세기 러시아 광물학자 레프 페로브스키(Lev Perovsky)의 이름을 따서 만들어졌다.
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