^*광흡수층(광활성층): 태양광을 흡수해 전하를 띠는 입자(전자, 정공)을 만드는 물질. 태양광 전지 구성층 중 하나다.

^*유·무기물 혼합 페이로브스카이트: 페로브스카이트라는 물질 구조 자체에 유기물과 무기물이 혼합된 구조

[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

실리콘 태양전지와 비교했을 때, 소재와 공정 비용을 절감하면서 유연하고 가벼운 차세대 태양전지를 만들기 위한 연구가 활발하다. 차세대 태양전지에는 유기 고분자, 페로브스카이트(Perovskite)1), 양자점(Quantum Dot)2), 염료(Dye)3) 등의 다양한 광활성층4) 소재를 사용하는데, 소재별로 효율적으로 흡수할 수 있는 주요 파장영역대가 상이하다. 이에 따라 단일 소재로는 태양광 흡수가 제한적이라는 단점이 있다.

그동안 상보적인 특성을 보이는 이종(異種)의 소재를 하나의 태양전지 소자에 복합화하려는 노력이 많이 시도됐으나 의미 있는 연구결과를 얻는 데는 어려움이 많았다. 이종의 소재를 하나의 소자에 복합화하기 위해서는 각 소자의 광 흡수 특성을 잘 제어하는 것이 매우 중요하며, 또한 소재들의 접합 계면에서 발생하는 에너지 준위5)와 전극 형성까지 소재합성에서 소자 제작에 이르는 많은 변수를 고려해야 하기 때문이다. 이를 해결하기 위해서는 다양하고 종합적인 연구가 요구된다.

2. 연구내용

본 연구팀은 ‘높은 광에너지’영역(가시광선)에서 좋은 광 흡수 특성을 보이는 ‘무기페로브스카이트’ 소재와 ‘근적외선 영역’에서 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있는 ‘유기 고분자’를 하나의 태양전지 소자에 복합화했다. 그 결과 가시광에서 근적외선 영역까지 효과적으로 태양광을 흡수하는 ‘하이브리드 탠덤 태양전지’6)를 개발하는 데 성공했다.

무기페로브스카이트와 유기 고분자의 각 광활성층을 서로 직렬로 연결해 탠덤(Tandem) 소자를 구성함으로써 두 가지 광활성 소재의 광 흡수 특성을 효과적으로 복합화하고, 각각의 단위 소자에서 발생하는 전압을 동시에 활용해 소자 내 광활용 특성을 최적화했다.

탠덤 소자는 건전지처럼 물리적으로 쉽게 연결할 수 있는 게 아니라 ‘전자·정공 재결합층’을 통해 직렬로 연결된다. 이때 서로 다른 광활성층을 연결하는 과정에서 에너지 손실이 발생한다. 연구팀은 ‘무기(페로브스카이트)’와 ‘유기(고분자)’라는 완벽히 다른 이종소재를 연결하여 소자의 전압손실을 최소화 하는데 성공했다.

기존 무기페로브스카이트 소자와 유기 고분자 소자는 각각의 단일소자로는 광전변환효율7)이 최대 12.5%를 보였다. 그러나 두 소자의 복합화로 제작한 하이브리드 태양전지 소자는 기존 단위셀의 효율보다 45% 이상 향상된 광전변환효율이 18.04%에 이르렀다.

또한, 개발된 무기 페로브스카이트·유기 고분자 하이브리드 탠덤 태양전지의 경우, 전체 공정을 비교적 저온에서 용액공정8)으로 진행할 수 있어서 추후 상용화에 매우 유리할 것으로 기대된다.

3. 기대효과

하이브리드 탠덤 태양전지는 다양한 소재들이 지니는 고유한 특성 중 장점만을 최대한 살릴 수 있는 능력이 있다. 따라서 본 개념은 다양한 이종소재들의 하이브리드 소자화를 촉진하는 연구방향을 선도할 것으로 기대된다. 또 저온 용액공정을 통한 하이브리드 소자 제조 기술은 차세대 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 큰 역할을 할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 페로브스카이트(Perovskite)

‘페로브스카이트’라는 광물의 결정구조를 갖는 물질을 통칭한다. 페로브스카이트 태양전지는 이 물질을 태양광 흡수층(광활성층)으로 쓰는 전지다. 효율이 20%를 넘어가는 페로브스카이트 태양전지는 무기물과 유기물이 혼합된 형태다.

2. 양자점(Quantum dot)

수 나노미터(nm) 수준의 아주 작은 무기물 반도체 입자다. 이 물질을 쓴 태양전지는 흡수할 수 있는 파장대를 조절할 수 있고, 가볍고 제조공정이 간단하다.

3. 염료(Dye)

식물의 엽록소와 유사한 물질. 엽록소가 빛을 받아 전자를 만들 듯 태양광을 흡수 전자를 생성하는 물질이다.

4. 광활성층

태양광 에너지를 흡수해 전하 입자인 전자(electron)와 정공(hole)을 만드는 물질. 실리콘, 페로브스카이트 등이 대표적 광활성층 물질이다.

5. 에너지 준위(energy level)

원자와 분자가 갖는 전자의 위치 에너지 값이다.

6. 하이브리드 탠덤 태양전지

한 소자에 두 개 혹은 그 이상의 광활성층이 겹겹이 적층되어 구동되는 태양전지이며 주로 장파장(적외선등) 영역을 흡수하는 하부셀(back-cell), 단파장(가시광선 등)을 흡수하는 상부셀(front-cell)로 구성된다

7. 광전변환효율

태양전지가 조사된 빛 에너지를 전기 에너지로 바꾸는 효율로 개방전압과 단락전류에 비례한다.

8. 용액공정

필름을 입힐 때 소재를 용매에 녹여 코팅하는 공정으로 인쇄기법이 가능하여 대면적 소자 제작이 쉽다.

[붙임] 그림설명

그림1. 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.