국내 연구진이 페로브스카이트 태양전지의 성능을 획기적으로 높일 수 있는 원천기술을 확보했다. 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못하는 기존 문제점을 개선한 것이다.

KAIST는 이정용(사진) 전기및전자공학부 교수와 김우재 연세대 화학과 교수의 공동 연구팀이 기존 가시광선 영역을 뛰어넘어 근적외선 광 포집을 극대화한 고효율·고안정성 유무기 하이브리드 태양전지 제작 기술을 개발했다고 31일 밝혔다.

연구팀은 가시광선 흡수에 한정된 페로브스카이트 소재를 보완했다. 근적외선까지 흡수 범위를 확장하는 유기 광반도체와의 하이브리드 차세대 소자 구조를 제시하고 고도화했다.

또 해당 구조에서 주로 발생하는 전자구조 문제를 밝히고 다이폴(쌍극자) 층을 도입해 이를 획기적으로 해결한 고성능 태양전지 소자를 발표했다.

다이폴 층은 소자 내 에너지 준위를 조절해 전하 수송을 원활하게 하고, 계면의 전위차를 형성해 소자 성능을 향상하는 역할을 하는 얇은 물질을 말한다.

기존 납 기반 페로브스카이트 태양전지는 850㎚(나노미터·10억분의 1m) 이하 파장의 가시광선 영역에만 흡수 스펙트럼이 제한돼 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못하는 문제가 있다.

다이폴 도입 페로브스카이트-유기 하이브리드 태양전지 모식도 [KAIST 제공]

이를 해결하기 위해 연구팀은 유기 벌크 이종접합을 페로브스카이트와 결합한 하이브리드 소자를 설계, 근적외선 영역까지 흡수할 수 있는 태양전지를 구현했다.

특히 나노미터 이하 다이폴 계면 층을 도입해 페로브스카이트와 유기 벌크 이종접합 간의 에너지 장벽을 완화하고 전하 축적을 억제, 근적외선 기여도를 극대화하고 전류 밀도를 높였다.

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, 높은 내부 양자 효율(IQE)을 달성하며 근적외선 영역에서 78%에 달하는 성과를 기록했다.

또 극한의 습도 조건에서도 800시간 이상의 최대 출력 추적에서 초기 효율의 80% 이상을 유지하는 우수한 결과를 보였다.

이 교수는 “이번 연구를 통해 기존 페로브스카이트유기 하이브리드 태양전지가 직면한 전하 축적과 에너지 밴드 불일치 문제를 효과적으로 해결했다”고 말했다. 이어 “근적외선 광 포집 성능을 극대화하면서도 전력 변환 효율을 크게 향상 시켜 기존 페로브스카이트가 가진 기계적·화학적 안정성 문제를 해결하고 광학적 한계를 뛰어넘을 수 있는 새로운 돌파구가 될 것”이라고 기대했다.

이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘어드밴스드 머티리얼스’온라인판에 지난 9월 30일 게재됐다. 구본혁 기자