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  • 기사등록 2020-01-19 12:00:02
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[기계신문] 최근 개발되는 모바일 및 웨어러블 기기들은 대부분 고성능 구현을 위해 높은 배터리가 소비되는 만큼 부가적인 충전과정 없이 일상생활에서 배터리에 에너지를 공급할 수 있는 기술에 대한 관심이 높다.


일상에서 공급되는 빛에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 대표적인 에너지 소자인 태양전지가 주목받는 이유이다. 태양전지는 모바일 및 웨어러블 기기뿐 아니라 자동차 및 무인비행기의 보조동력원, 사물인터넷(IoT) 센서의 에너지원 등으로 효용가치가 높다.


하지만 태양전지의 대표적 소재인 결정성 실리콘(c-Si)은 효과적인 빛에너지 흡수를 위해 일정 두께(수백 ㎛ 이상) 이상이어야 하며 딱딱하다. 때문에 결정성 실리콘을 기반으로 하는 태양전지는 위에서 언급된 미래형 에너지 기기 등에 적용하기가 쉽지 않다.


그 가운데 실리콘 반도체에 비해 효율이 높고 경량화와 유연화에 유리하지만, 제작비용이 비싸 활용에 제약이 있었던 화합물 반도체 태양전지의 발전단가를 낮출 수 있는 경제적인 방법이 보고되었다.


한양대 유기나노공학과 박희준 교수, 아주대 전자공학과 이재진 교수 공동 연구팀이 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs) 위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현했다.


장파장 빛을 흡수하는 화합물 반도체 결정 위에 단파장의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 박막을 적층, 보다 다양한 파장의 빛을 활용하도록 함으로써 전기에너지 변환효율을 높이는 방식이다.



▲ 페로브스카이트/갈륨-비소 탠덤 구조 태양전지 모식도. 흡수할 수 있는 빛을 다양화하여 전기에너지로의 변환효율을 높이기 위해 단파장 영역의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 박막(위층)을 장파장 영역의 빛을 흡수하는 갈륨-비소 반도체의 결정 구조(아래층) 위에 적층한 구조



두껍고 딱딱한 실리콘 반도체와 달리 화합물 반도체는 얇은 박막 형태로 빛을 흡수할 수 있어 경량화와 유연화에 유리하다. 때문에 자동차, 무인비행기, 웨어러블 기기 및 IoT 센서 등의 동력원으로 주목받는다.


하지만 화합물 반도체 제작에 높은 비용의 유기금속화학증착법이 이용되는 만큼 광변환효율을 높여 발전단가를 낮추는 것이 실용화의 관건이었다.


기존에도 단파장 빛을 흡수하는 인듐-갈륨-인(InGaP) 태양전지를 갈륨-비소 화합물 태양전지 위에 적층하여 효율을 높이려는 시도는 있었다. 하지만 인듐-갈륨-인 태양전지는 제작비용이 높고 복잡한 구조 때문에 오히려 발전단가를 상승시켰다.


이에 연구팀은 저온 용액공정으로 손쉽게 제작할 수 있는 가성비 좋은 페로브스카이트 박막을 적층하는 방식으로 화합물 반도체 태양전지의 효용가치를 높이는 구조를 설계했다. 실제 연구팀이 구현한 복층구조의 태양전지를 적용한 결과 갈륨-비소 태양전지의 성능을 15% 이상 끌어올릴 수 있었다.


박희준 교수는 “이번 연구는 경제적인 페로브스카이트를 활용해 화합물반도체 소자의 효용성을 높일 수 있음을 보여주었다”며 “가볍고 유연한 화합물 반도체 태양전지의 광전환효율을 높이기 위해 다른 흡수파장을 갖는 고가의 또 다른 화합물 반도체를 적층하는 대신 저가의 페로브스카이트를 활용한 탠덤 구조 태양전지 구현으로 기존 적층에 따른 높은 비용 상승 부담을 완화했다”고 설명했다.


이번에 제안된 고효율 플렉시블 페로브스카이트/화합물반도체(3-5족) 기반 태양전지 모듈은 자동차, 모바일 및 웨어러블 기기 및 드론, 무인 항공기, IoT용 센서 등 다양한 미래 에너지 산업 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.


전 세계 태양전지 시장의 90%가 실리콘 반도체 기반인 상황에서 화합물 반도체 기반의 차세대 고효율 태양전지 개발에 새로운 동력을 제공할 것으로 기대된다.


과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구 및 기본연구 등) 등의 지원으로 수행된 이번 연구 성과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 12월 19일 게재되는 한편 표지논문으로 선정되었다.


기계신문, 기계산업 뉴스채널

권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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