[기계신문] 실리콘 태양전지와 비교했을 때, 소재와 공정 비용을 절감하면서 유연하고 가벼운 차세대 태양전지를 만들기 위한 연구가 활발하다.
차세대 태양전지에는 양자점(Quantum Dot),유기 고분자, 페로브스카이트(Perovskite), 염료 등의 다양한 광활성 소재를 사용하는데, 소재별로 효율적으로 흡수할 수 있는 주요 파장영역대가 상이해, 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 특성뿐만 아니라, 소재들의 접합 계면에서 발생하는 에너지 준위와 전극 형성까지 소재합성에서 소자 제작에 이르는 많은 변수를 고려해야 하기 때문이다.
그런데 최근 UNIST 에너지 및 화학공학부 장성연 교수팀이 무기나노소재인 ‘양자점’과 ‘유기 고분자 소재’를 하나의 태양전지에 접합한 ‘양자점·유기물 하이브리드 탠덤 태양전지’를 개발했다.
유기 고분자 소재가 양자점이 잘 흡수하지 못하는 태양광 영역을 대신 흡수해, 전체 태양광 흡수를 극대화하고 전지의 효율도 높인 기술이다.
양자점은 반도체를 아주 작게 만든 물질이다. 입자 크기가 매우 작아지면서 나타나는 특이한 현상 덕분에 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유자재로 바꿀 수 있다.
따라서 다른 광활성층 물질은 흡수하지 못하는 적외선 영역까지도 흡수한다는 게 양자점의 장점으로 꼽힌다. 하지만 양자점으로도 근적외선 영역 중 흡수가 잘 일어나지 않는 일부 구간이 있었다.
연구팀은 가시광 영역에서 높은 광 흡수 특성을 보이는 ‘양자점’ 소재와 근적외선 영역에서 효율적으로 태양광을 흡수할 수 있는 ‘유기 고분자’를 하나의 태양전지 소자에 복합화했다. 그 결과, 가시광에서 근적외선 영역까지 효과적으로 태양광을 흡수하는 ‘하이브리드 태양전지’를 개발하는 데 성공했다.
양자점과 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 에너지 손실을 최소화했다.
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(양자점)’와 ‘유기(고분자)’라는 완벽히 다른 이종 소재를 연결할 때, 전압 손실을 최소화할 수 있는 전자·정공 재결합층을 개발했다.
기존 황화납 양자점 소자와 유기 고분자 소자는 각각의 단일소자로는 광전변환효율이 최대 11%를 보였다. 그러나 두 소자의 복합화로 제작한 하이브리드 태양전지 소자는 광전변환효율이 12.82%에 이르렀다.
또한, 개발된 양자점·유기 고분자 하이브리드 탠덤 태양전지의 경우, 전체 공정을 상온에서 진행할 수 있으며, 제조가 손쉬운 용액 공정이 가능하므로 추후 상용화에 매우 유리할 것으로 기대된다.
장성연 교수는 “이번에 개발한 하이브리드 탠덤 태양전지는 유·무기 소재를 하나의 태양전지 소자에 성공적으로 적용해 각 소재의 특성을 최대로 살렸다”며 “특히 기존 양자점 태양전지에서 흡수하기 어려웠던 특정 근적외선 영역을 유기 고분자를 이용해 흡수했다는 데 큰 의미가 있다”고 강조했다.
하이브리드 탠덤 태양전지는 다양한 소재들이 지니는 고유한 특성 중 장점만을 최대한 살릴 수 있는 능력이 있다. 따라서 이 개념은 다양한 이종 소재들의 하이브리드 소자화를 촉진하는 연구방향을 선도할 것으로 기대된다. 또 저온 용액공정을 통한 하이브리드 소자 제조 기술은 차세대 태양전지의 상용화를 앞당기는 데 큰 역할을 할 전망이다.
한편, 이번 연구는 한국연구재단(NRF)과 한국에너지기술평가원(KETEP)의 지원으로 이뤄졌으며, 연구 성과는 에너지 소재 분야 국제학술지 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)’에 1월 13일자 게재됐다.
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