장성연 교수(사진 중앙)와 1저자인 하피드아코마 연구원(좌측 두번째).(사진=UNIST 제공)
유니스트(UNIST, 울산과학기술원, 총장 이용훈) 연구진이 기존 상용화된 실리콘 태양전지 보다 유연하고 가벼운 양자점 태양전지를 개발했다.
유니스트 에너지 화학공학부 장성연 교수 연구팀은 유기 고분자 소재를 이용해 태양광 흡수를 보완한 '양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지'를 개발했다고 30일 밝혔다.
양자점은 반도체를 아주 작게 만든 물질이다.
입자 크기가 매우 작아지면서 나타나는 특이한 현상 덕분에 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유자재로 바꿀 수 있다.
이번 연구에서는 근적외선 영역에서 광 흡수 특성이 좋은 '유기 고분자 소재'를 더해 태양광 활용 영역을 넓힌 하이브리드 태양전지를 개발했다
양자점을 광활성층으로 사용하는 단위 전지(sub-cell)와 '유기 고분자 소재' 단위 전지가 상하로 직렬 연결된 '탠덤 구조'라는 것.
양자점이 흡수하지 못하는 근적외선을 유기 고분자 소재가 흡수하는 형태다.
하이브리드 탠덤 태양전지 구조와 광흡수 거동.(사진=UNIST 제공)
여기에 더해 제조공정이 간단하면서도 전압 손실을 최소화 해 전지 효율을 높일 수 있는 장점을 갖고 있다고 연구팀은 설명했다.
즉, 전압 손실을 최소화할 수 있는 중간층을 개발해 광전변환효율을 최적화 했다.
광전변환효율은 입사된 태양광을 전기 에너지로 변환하는 능력을 말한다.
이는 전자의 수와 각 전자의 위치 에너지, 즉 전압에 따라 결정된다.
그런데 탠덤 태양전지에서는 각각의 단위 전지를 직렬로 연결하는 과정에서 중간층에서 전압 손실이 발생하면 전체 효율이 낮아지게 된다.
연구팀은 이 부분을 보완하기 위해 최적화된 중간층의 소재와 구조를 개발했다.
개발한 중간층을 이용해 두 단위 전지를 직렬로 연결하자, 각각의 물질을 광활성층으로 사용한 태양전지보다 15%나 향상된 12.82%의 광전변환효율을 얻었다는 거다.
특히 새롭게 개발한 탠덤 태양전지는 전체 제조 공정을 상온에서 진행할 수 있다.
때문에 기존 실리콘 태양전지보다 대량생산에 유리하고 제조비용도 저렴하다.
장성연 교수는 "탠덤 태양전지는 유·무기 소재를 하나의 태양전지 소자에 성공적으로 적용해 각 소재의 특성을 최대로 살렸다"며 "기존 양자점 태양전지에서 흡수하기 어려웠던 특정 근적외선 영역을 유기 고분자를 이용해 흡수했다는 데 큰 의미가 있다"고 말했다.
이번 연구는 에너지 소재 분야의 권위 있는 학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)'에 지난 13일자로 게재됐다.