울산과학기술원(UNIST)은 최경진(사진) 신소재공학부 교수팀이 태양전지 효율을 획기적으로 높이는 기술을 개발했다.
최 교수팀이 개발한 것은 투명 전도성 접착층(TCA)을 이용하는 신개념 탠덤(tandem) 태양전지다. 광흡수층으로 실리콘과 페로브스카이트(육방면체 구조를 지닌 반도체 물질로, 빛을 전기로 바꾸거나 전기를 빛으로 바꾸는 소재)를 사용해 높은 효율을 얻었고, 두 층의 연결부에 투명 전도성 접착층을 도입해 제조과정을 단순화했다.
태양전지는 반도체가 태양광 에너지를 흡수하면서 나타나는 전자의 흐름을 이용해 전기를 생산하는 장치다. 얼마나 많은 태양광 에너지를 전기로 바꾸느냐는 문제는 태양전지를 이루는 물질에 달려있다. 다만 광흡수층 물질마다 받아들일 수 있는 태양광 파장 영역이 한정적이어서, 흡수되지 못한 에너지는 열로 손실되거나 버려진다.
탠덤 태양전지는 두 개 이상 광흡수 반도체를 쌓아, 각 물질이 받아들이는 태양광 파장 범위를 확장하는 것을 말한다. 문제는 서로 다른 광흡수층을 연결하는 방식인데, 둘 사이가 매끄럽게 이어져야 에너지 손실이 감소한다.
기존에는 실리콘 위에 페로브스카이트 박막을 쌓아 올리는 방식으로 탠덤 태양전지를 제작했다. 그러나 이 경우 광흡수율을 높이고자 실리콘 기판을 피라미드 구조로 만든 영향 때문에 페로브스카이트 박막이 제대로 코팅되지 않는 문제가 있었다.
최 교수팀은 각각 완성된 실리콘 태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 기계적으로 붙이는 간단한 방법을 제안했다. 투명 전도성 접착층이 실리콘 기판에 있는 피라미드 구조 사이를 잘 메우기 때문에 두 층 사이가 매끄럽게 연결됐다. 또 전도성 접착층 내부에 있는 고분자 나노 입자들이 은(Ag)으로 코팅돼 실리콘과 페로브스카이트 사이에 전자가 잘 이동하도록 돕는 효과를 냈다.
최 교수는 “기존 적층형 탠덤 태양전지보다 훨씬 간편하게 제작할 수 있고, 기존 실리콘 태양전지 제조시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화도 용이할 것”이라면서 “제조 단가가 가장 낮은 실리콘 태양전지를 하부 태양전지로 활용해 가격경쟁력도 갖출 수 있으며, 소재와 기술을 적용하기에 따라서는 24% 이상의 고효율 태양전지도 개발할 수 있을 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 에너지 분야 과학저널 ‘나노 에너지’(Nano Energy) 8월 22일 온라인판에 발표됐다.방종근 기자 jgbang@kookje.co.kr
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| 울산과학기술원 최경진 교수
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