포스텍, ‘최고 효율’ 양자점 하이브리드 탠덤 태양전지 개발성공

기존 텐덤 태양전지가 가지고 있던 한계를 뛰어넘는 높은 효율을 나타내

포스텍과 토론토대 공동연구팀이 양자점과 유기 고분자를 합성하는데 성공하며, 기존 텐덤 태양전지가 가지고 있던 한계를 크게 뛰어넘는 기술을 확보했다.

태양전지는 햇빛이 있으면 어디에서나 전기를 만들어낼 수 있어 가정용부터 산업용에 이르기까지 광범위하게 활용되며, 우리에게 친숙한 친환경 발전방식 중 하나다.

▲포스텍과 토론토대 공동연구팀이 양자점과 유기 고분자를 합성하는데 성공했다. 여러 겹의 광흡수층을 쌓아 올린 고분자 구조 ⓒ포스텍

주된 태양전지는 실리콘 태양전지지만, 이보다 좋은 효율의 태양전지 소재를 찾기 위한 연구가 활발하다. 그중에서도 서로 다른 태양전지를 결합해 만드는 탠덤(tandem) 태양전지는 다른 영역의 빛을 더 많이 흡수시켜 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대를 모으고 있다.

포스텍 화학공학과 박태호 교수와 박사과정 김홍일씨 연구팀은 토론토대(University of Toronto) 연구팀과 공동연구를 통해 콜로이드 양자점(colloidal quantum dot, CQD)과 유기 분자를 결합해 모놀리식 통합 하이브리드 탠덤 태양전지(Monolithically integrated hybrid tandem solar cells, TSC)를 합성하는 데 성공했다.

양자점을 이용해 기존 탠덤 태양전지의 효율을 뛰어넘는 효율을 보인 이 성과는 재료 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 최근 게재됐다.

탠덤 태양전지는 빛을 흡수하는 파장의 영역이 다른 두 개 이상의 태양전지용 반도체를 쌓아올려 만든다. 탠덤 태양전지는 가시광선 영역에서 더 많은 빛을 흡수할 수 있는 소자지만 유기물과 접합한 기존 탠덤 태양전지는 아직 단일 태양전지의 성능에는 미치지 못했다.

연구팀은 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유롭게 바꿀 수 있는 양자점에 주목했다. 양자점은 반도체를 아주 작게 만든 물질로, 다른 광활성층 물질이 흡수하지 못하는 적외선 영역까지도 흡수하는 것이 장점이 있다.

용액공정을 통해 근적외선 영역에서 광 흡수성이 뛰어난 양자점을 여러 겹으로 쌓아 올리고, 이중 근적외선(NIR) 흡수기를 사용해 다양한 파장대를 흡수할 수 있는 전략적 광학 구조를 갖는 하이브리드 태양전지를 개발했다.

특히, 유기물층이 양자점 용매에 녹아 필름이 제거되는 문제를 해결하기 위해 다중 흡수층을 도입했다.

이렇게 개발된 양자점 하이브리드 탠덤 태양전지의 정합 전류는 15.2mA cm-2로 크게 향상됐다. 또 개별 단일 접합 전지보다 높은 13.7 %의 전력 변환 효율(PCE)을 보여 기존 텐덤 태양전지가 가지고 있던 한계를 뛰어넘는 높은 효율을 나타내며, 앞으로 태양전지 기술 혁신에 기대를 모으고 있다.