신병하 교수 연구팀, (앞줄 왼쪽부터 반시계방향으로)신병하 교수, 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사, 서울대 ~
신병하 교수, 김대한 박사과정, 세종대 김동회 교수, 서울대 박익재 박사, 서울대 김진영 교수 (앞줄 왼쪽부터 반시계방향)

한국과학기술원(KAISTㆍ총장 신성철)이 높은 불안정성을 가진 '큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질'의 안정화를 이뤘다. 이 기술을 활용해 고효율 태양전지 개발까지 성공했다. 향후 태양전지 상용화에 큰 역할을 할 것으로 기대된다.

KAIST는 신병하 신소재공학과 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀이 '큰 밴드갭의 페로스카이트(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)' 물질을 개발, 이를 적용해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다고 30일 밝혔다. 공동연구에는 서울대학교와 세종대학교, 미국 국립재생에너지 연구소, 노스웨스턴 대학이 참여했다.

고해상도 투과전자현미경을 통한 2D 패시베이션 물질의 구조적 물성 분석
페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성

KAIST는 이번 연구가 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 안정화 및 고효율화해 실리콘 태양전지와의 적층으로 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서, 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 도움이 될 것으로 기대했다. 

기존의 단일 태양전지는 약 30% 초반의 한계효율을 넘을 수 없다는 이론이 존재한다. 이에, 단일 태양전지의 한계를 극복하기 위해 2개 이상의 태양전지를 적층 형태로 연결하는 기술인 탠덤 태양전지 개발 연구가 이뤄지고 있다.

하지만 탠덤 태양전지의 상부 셀(cell)로 적합한 큰 밴드갭(~1.7 eV)의 페로브스카이트는 빛과 수분, 산소 등 외부 환경에 민감해 불안정성이 높아 고품질의 소자를 합성할 수 없다는 한계가 있었다. 

연구팀은 새로운 음이온을 포함한 첨가제로 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화 층(passivation layer)의 전기적ㆍ구조적 특성을 조절할 수 있다는 것을 밝혔고, 이 기술을 활용해 최고 수준의 큰 밴드 갭 태양전지 소자를 제작했다.

이에, 더 나아가 개발한 페로브스카이트 물질을 실리콘 태양전지에 적층해 탠덤 태양전지를 제작하는 데 성공했고, 최고 수준인 26.7%의 광 변환 효율을 달성했다.

KAIST는 연구팀의 기술이 향후 첨가제 도입법을 활용한 반도체 소재의 2차원 안정화 기법의 방향을 제시할 수 있고, 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지와 발광 다이오드, 광 검출기 등 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대했다. 
 
신병하 신소재공학과 교수는 "실리콘 태양전지와의 이종 접합 구조를 통한 고효율 달성은 페로브스카이트 태양전지 기술의 상용화를 앞당기는 데 도움이 될 것"이라고 말했다.