▲ 본 연구에서 개발된 무기페로브스카이트·고분자 하이브리드 탠덤 태양전지 (a) 하이브리드 탠덤 태양전지의 구조. 밤색이 무기페로브스카이트, 파란색이 고분자 소재이다 (b) 탠덤태양전지의 전자주사현미경 단면도 (c) 하이브리드 탠덤 태양전지의 광흡수 거동에 대한 시뮬레이션 결과 (d) 하이브리드 탠덤 태양전지에서 얻어진 외부 양자효율 그래프. 가로축은 빛의 파장, 세로축은 외부에서 들어온 광자(빛 알갱이)로 전자(전하 입자)를 방출한 비율을 나타내는 양자효율  © 특허뉴스

국내 연구진이 상용화 분기점인 20%에 가까운 18%의 효율의 무기 페로브스카이트 태양전지를 개발해 기존 12.5%의 효율을 45%나 끌어올려 주목을 받고 있다.

UNIST 에너지화학공학과의 장성연 교수팀은 이종(移種) 소재 하이브리드 태양전지를 개발했다. 무기 페로브스카이트 태양전지와 성질이 다른 고분자 태양전지를 이어 붙인 ‘1+1 기술’이다. 무기 페로브스카이트 물질이 흡수하지 못하는 태양광 근적외선 영역을 고분자 소재가 대신 흡수하는 방법으로 전지 효율을 높였다.

광흡수 소재(광활성층)로 무기물 페로브스카이트를 쓰면 일반 유·무기물 혼합 페로브스카이트 소재보다 열에 대한 안정성이 훨씬 우수한 태양전지를 만들 수 있다. 휘발성 물질이 없고 구조적으로 안정하기 때문이다. 하지만 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 방식이다. 그 덕분에 기존 실리콘 태양전지보다 대량생산에 유리하고, 제조비용도 싸다.

▲ 장성연(우단) 교수 연구팀  © 특허뉴스

장성연 교수는 “이번에 개발된 하이브리드 탠덤 태양전지는 각 소재가 갖는 장점을 최대치로 끌어내는 기술이 적용됐다”며 “이를 통해 향후 28% 이상의 고효율·고안정성 무기 페로브스카이트 기반 태양전지를 개발할 수 있을 것” 이라고 기대했다.

이번 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 10월 6일자로 출판됐다.

논문명은 High-Efficiency Solution-Processed Two-Terminal Hybrid Tandem Solar Cells Using Spectrally Matched Inorganic and Organic Photoactive Materials 이다.