캐나다 토론토 공과대학과 사우디아라비아 킹 압둘라 과학기술대학(KAUST) 연구원들의 연구결과는 6일(한국시간) 사이언스지에 발표됐다.
연구진은 차세대 태양전지로 떠오르는 페로브스카이트 태양전지와 상업용으로 널리 쓰이는 실리콘 태양전지를 결합하는데 중요한 문제점을 해결했다고 밝혔다.
연구진이 개발한 탠덤 태양 전지는 독일 프라이부르크에 있는 프라운호퍼 태양에너지연구소에서 인증한 대로 25.7%의 효율을 달성했다. 25.7%의 효율은 비슷한 유형의 설계로 만든 다른 태양전지들 중 가장 높다. 이 태양전지는 또한 400시간 이상 성능을 유지하면서 85℃의 온도를 견딜 수 있었다.
연구진은 업계 벤치마크 중 하나인 1000시간까지 안정성을 높이는 등의 설계 개선작업을 계속하고 있다.
페로브스카이트 결정체가 실리콘과 비슷한 점은 회로에 전달할 수 있는 전자를 자극해 태양에너지를 흡수하는 것이다. 이에 반해 실리콘과 다른 점은 액체와 섞어 표면에 인쇄할 수 있는 '태양전지 잉크'를 만들 수 있다. 잉크 기반 제조방식은 이미 인쇄업계에서 정착된 처리공정으로 태양전지 생산비용을 낮출 수 있다.
박사후 연구원이자 수석 저자인 이 호우는 "탠덤 태양전지를 만들기 위해 실리콘 위에 페로브스카이트 결정층을 추가하는 것은 성능을 향상시키는데 있어 좋은 방법이지만 현재 산업 표준은 이 접근법을 염두에 두지 않고 설계해 얇은 판형 실리콘 웨이퍼에 기반해 설계됐다"고 말했다.
태양전지에 사용되는 표준 실리콘 웨이퍼는 매끄럽게 보이지만 2마이크로미터 높이의 작은 피라미드 구조로 돼 있다. 울퉁불퉁한 표면은 실리콘 표면에서 반사되는 빛의 양을 최소화하고 전체적인 효율을 높일 수 있지만 실리콘 위에 페로브스카이트를 균일한 층으로 코팅하기 어렵게 만든다.
호우 연구원은 "기존 탠덤 태양전지는 대부분 실리콘 표면을 부드럽게 하기 위해 다듬은 후 페로브스카이트 층을 추가해 효과가 있지만 추가비용이 들어간다"고 설명했다.
호우 연구원과 사르겐트, 스테판 드 울프 KAUST 교수를 포함한 나머지 팀원들은 다른 접근법을 적용했다. 그들은 페로브스카이트 층을 더 두껍게 해 실리콘 표면의 피라미드 구조로 된 봉우리와 계곡을 완전히 덮게 만들었다.
연구팀은 계곡 쪽으로 내려간 페로브스카이트가 페로브스카이트 층에서 생성된 전자와 실리콘 층에서 생성된 전자를 분리하는 전기장을 생성한다는 사실을 발견했다. 이러한 유형의 전하 분리는 활성화된 전하가 태양전지의 다른 부분보다 회로로 흐를 가능성을 높여주기 때문에 효과적이다.
연구팀은 페로브스카이트 결정을 일반적인 산업용 화학 물질인 1-부탄티올로 만든 '패시베이션 층'에 코팅함으로써 전하 분리를 더욱 강화했다. 연구팀은 일반 산업용 화학 물질인 1-부타네티올로 만든 '보호막'에 페로브스카이트 결정체를 코팅해 전하 분리를 더욱 강화했다.
호우 연구원은 "기업들은 실리콘을 별도 가공없이도 가능해 기존 공정에 많은 비용을 들이지 않고도 적용할 수 있다"고 말했다. 연구진은 이를 통해 더 낮은 비용으로 더 높은 성능을 가진 태양광 패널을 시장에 출시할 수 있다고 전망했다.
monarch@fnnews.com 김만기 기자
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