태양전지의 효율을 더 높이는 방법으로 ‘탠덤(Tandem)’ 기술이 연구되고 있다. 태양광 파장을 흡수하는 광흡수층을 둘 이상 사용해 서로 다른 영역의 태양광을 모두 활용하는 전략이다. 이 기술의 상용화를 앞당길 방법을 국내 연구진이 개발해 주목받고 있다.
UNIST 신소재공학부의 최경진 교수팀은 ‘투명 전도성 접착층(TCA)’을 이용하는 신개념 탠덤 태양전지를 개발했다. 이 전지는 광흡수층으로 ‘실리콘’과 ‘페로브스카이트’를 사용해 높은 효율을 얻었고, 두 층의 연결부에 투명 전도성 접착층을 도입해 제조과정을 단순화했다. 제조과정이 간단해져 상용화 기대도 높아졌다.
태양전지는 반도체가 태양광 에너지를 흡수하면서 나타나는 전자의 흐름을 이용해 전기를 생산하는 장치다. 얼마나 많은 태양광 에너지를 전기로 바꾸느냐(효율)는 태양전지를 이루는 물질에 달려있다. 물질마다 받아들일 수 있는 태양광 파장 영역이 정해져 있어, 흡수되지 못한 에너지는 열로 손실되거나 버려진다.
탠덤 태양전지는 광흡수층으로 두 가지 이상의 물질을 사용한다. 각 물질이 받아들이는 태양광 파장이 다르므로, 흡수 가능한 에너지가 많고 따라서 효율도 높일 수 있다. 문제는 서로 다른 광흡수층을 연결하는 방식이다. 둘 사이가 매끄럽게 이어져야 에너지 손실도 줄기 때문이다. 기존에는 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 박막 쌓아 올리는 방식으로 탠덤 태양전지를 제작했다. 그런데 이 경우 광흡수율을 높이기 위해 만든 실리콘 기판의 피라미드 구조 때문에 페로브스카이트 박막이 제대로 코팅되기 어렵다.
그림1. 투명 전도성 접착층을 이용한 기계식 일체형 태양전지 모형 결합층인 투명 전도성 접착층(TCA) 기준으로, 아랫부분은 실리콘 태양전지이고 윗부분은 페로브스카이트 태양전지다. 은(Ag)이 코팅된 고분자 나노 입자들이 전류의 흐름을 도와준다.
이번 연구에서는 각각 완성된 실리콘 태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 기계적으로 붙이는 간단한 방법을 제안했다. 투명 전도성 접착층(TCA)이 실리콘 기판에 있는 피라미드 구조 사이를 잘 메꾸기 때문에 두 층 사이가 매끄럽게 연결됐다. 또 전도성 접착층 내부에 있는 은(Ag)이 코팅된 고분자 나노 입자들이 실리콘과 페로브스카이트 사이에 전자가 잘 이동하도록 도왔다.
제1저자인 최인영 UNIST 신소재공학과 석사과정 연구원은 “기존 적층형 구조의 탠덤 태양전지와 달리 부착형 탠덤 태양전지를 개발했다는 데 의의가 있다”며 “투명 전도성 접착층은 서로 다른 광흡수층을 효과적으로 연결한다는 걸 확인했다”고 전했다.
이번 연구에 참여한 신성이엔지 홍근기 박사는 “적층형 탠덤 태양전지보다 훨씬 간편한 방식으로 제작할 수 있는 방식”며 “기존 실리콘 태양전지 제조 시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가능성이 크다”고 기대했다.
실제로 이번 연구에서는 현재 제조 단가가 가장 낮은 실리콘 태양전지(p-Si Al-BSF Solar Cell)를 하부 태양전지로 활용해 가격 경쟁력도 갖출 수 있다. 최경진 교수는 “하부 태양전지로 PERC 구조의 실리콘 태양전지와 밴드갭 조절 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지를 적용한다면, 24% 이상의 고효율 탠덤 태양전지 개발도 가능하다”고 전망했다.
이번 연구는 에너지 분야에서 세계적 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 8월 22일(목) 온라인판에 발표됐다. 연구 수행은 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업과 동서발전의 지원으로 이뤄졌다.
