지금보다 15% 효율이 높은 태양전지가 나올 것으로 기대된다. 전 세계적으로 신재생에너지가 주목받으면서 태양광이 급증하고 있다. 관건은 태양전지 효율을 높이는 데 있다. 국내 과학계에서 연구개발(R&D)을 통해 효율은 계속 높아지고 있어 눈길을 끈다. 이는 업체 경쟁력으로 이어진다. 자원 수입국에서 태양광을 통해 우리나라는 조만간 에너지 수출국으로 위상이 바뀔 수도 있다.

실리콘 반도체 약점을 극복하기 위해 유연한 화합물 반도체와 가성비 좋은 페로브스카이트 반도체가 만났다. 실리콘 반도체는 태양 빛을 흡수해 전기를 만드는 태양전지 소재로 널리 쓰인다. 태양광 발전으로 널리 활용되고 있는데 문제는 두껍고 딱딱해 용도가 한정돼 있다는 데 있다.

이 같은 실리콘 반도체와 비교했을 때 효율이 높고 경량화와 유연화에 유리한 화합물 반도체 태양전지가 있다. 화합물 반도체는 제작비용이 비싸 활용에 제약이 있었다.

한국연구재단(이사장 노정혜)은 박희준(한양대)·이재진(아주대) 교수 연구팀이 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs) 위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현했다고 19일 발표했다. 장파장 빛을 흡수하는 화합물 반도체 결정 위에 단파장 빛을 흡수하는 페로브스카이트 박막을 적층해 다양한 파장의 빛을 활용하도록 함으로써 전기에너지 변환효율을 높이는 방식이다.

두껍고 딱딱한 실리콘 반도체와 달리 화합물 반도체는 얇은 박막 형태로 빛을 흡수할 수 있어 경량화와 유연화에 유리하다. 자동차, 무인비행기, 웨어러블 기기는 물론 사물인터넷(IoT) 센서 등의 동력원으로 주목받는다.

화합물 반도체 제작에 높은 비용의 유기 금속 화학 증착법이 이용되는 만큼 광 변환효율을 높여 발전단가를 낮추는 것이 실용화의 관건이었다. 기존에도 단파장 빛을 흡수하는 인듐-갈륨-인(InGaP) 태양전지를 갈륨-비소 화합물 태양전지 위에 적층해 효율을 높이려는 시도는 있었다. 인듐-갈륨-인 태양전지는 제작비용이 비싸고 복잡한 구조 때문에 오히려 발전단가를 상승시켰다.

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

연구성과는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 12월 19일 표지논문(논문명: Wide-bandgap perovskite/gallium arsenide tandem solar cells)으로 선정됐다.