고효율을 자랑하는 페로브스카이트-실리콘 태양전지가 개발됐다. 2개 이상의 태양전지를 적층해 태양전지 효율 한계를 뛰어넘을 수 있을 것으로 보여 기대된다.

전 세계적으로 확대되고 있는 신재생에너지 보급에 도움이 될 것으로 기대된다. 탈원전과 탈석탄은 글로벌 흐름이다. 온실가스로 기후변화가 심각해지면서 전 세계 190여 개국은 2015년 파리기후변화협약을 통해 온실가스 감축에 나서기로 합의했다. 또 안전성 문제 등으로 탈원전 또한 대세이다. 유럽의 몇몇 국가는 조만간 석탄발전소 전체를 폐쇄하겠다고 밝힌 바 있다.

우리나라도 다르지 않다. 2030년까지 지금의 10%에도 되지 않는 재생에너지 비중을 20%까지 확대할 계획이다. 관련 기술 개발이 시급한 실정이다. 재생에너지 대부분을 차지하는 태양광과 풍력은 간헐성이 가장 큰 문제이다. 비가 오거나, 바람이 불지 않으면 전력 생산에 큰 자질이 발생한다. 이를 극복하는 것과 함께 효율성 문제도 빠르게 해결해야 할 연구개발 과제이다.

카이스트(KAIST) 신소재공학과 신병하 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀(서울대 김진영 교수, 세종대 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴대 정희준 박사)이 큰 밴드갭의 페로브스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다.

이번 연구의 특징은 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)의 안정화와 고효율화하는 기술을 개발했다는 데 있다. 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 앞으로 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

기존의 단일 태양전지로는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 쇼클리-콰이저(Shockley-Queisser) 이론이 존재한다. 이에 단일 태양전지 효율의 한계를 극복하기 위해 연구자들이 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발을 위해 노력하고 있다.

탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭의 페로브스카이트는 빛, 수분, 산소 등의 외부 환경에 민감하게 반응하는 낮은 안정성 때문에 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 존재했다.

연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔다. 이를 통해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다.

공동 연구팀은 더 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 상용화된 기술인 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했다. 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.

연구팀의 기술은 앞으로 첨가제 도입법을 통한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법에 대한 방향을 제시할 수 있다. 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광 검출기와 같은 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다.

신병하 교수는 “페로브스카이트 태양전지 기술은 지난 10년 동안 눈부신 발전을 이뤄 이제는 상용화를 고민해야 하는 시기”라며 “실리콘 태양전지와 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 3월 26일 자 온라인판(논문명: Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide bandgap perovskites)에 실렸다.