인류의 지속적인 성장을 위해 친환경 에너지원에 대한 필요성이 대두됨에 따라, 태양전지 분야가 크게 주목받고 있다. 그중에서도 3세대 태양전지는 높은 광흡수도(Absorption Coefficient) 및 손쉬운 공정으로 인해 최근 가장 각광받고 있는 분야다.

이러한 3세대 태양전지의 대표격인 유기태양전지는 용액 공정을 통한 인쇄 공정이 가능해 제조 원가 절감과 대면적화가 용이할 뿐 아니라, 유연하고 가벼워 차세대 저가형 신재생 에너지원으로서 휴대용 전자기기, 군사 에너지원, 건물일체형 에너지원 등을 위한 유비쿼터스 에너지원으로 각광받고 있다. 여기서 유기태양전지는 반도체성 공액 고분자와 C60 유도체의 혼합으로 이루어진 광활성층을 가진 태양전지를 말한다. 저온 용액 공정이 가능하며, 가볍고 기계적 유연성을 갖추고 있어 차세대 태양전지로 각광받고 있다.

이와 같은 장점 덕분에, 유기태양전지는 그동안 많은 연구가 진행되어 왔다. 현재 유기태양전지는 단일 효율 11%를 달성했으며, 가시광선에서 적외선에 이르기까지 다양한 흡광 영역(태양전지의 광활성층이 빛을 흡수해 전하를 생성할 수 있는 영역)을 가진 물질도 개발됐다. 그러나 근본적으로 고분자의 낮은 전하 이동도로 인해 여전히 효율 증대에 많은 제약을 받고 있어 차세대 태양전지로서 상용화에 어려움을 겪고 있다.

기존 페로브스카이트 태양전지(흑색)와 신규 하이브리드 태양전지(적색)의 전류-전압 측정 곡선 및

외부 양자 효율(External Quantum Efficiency) 측정 결과

페로브스카이트, 차세대 태양전지 재료로 각광

최근 유·무기 하이브리드 페로브스카이트(Perovskite)가 우수한 전기적, 광학적 특성을 바탕으로 불과 5년여 사이에 가파르게 성장하고 있다. 페로브스카이트는 유기, 무기 분자의 복합체로 이루어진 재료이며, 대표적인 구조는 CH3NH3PbI3이다. 유기태양전지와 유사하게 높은 광흡수도를 갖고 있을 뿐 아니라 유기용매에 대한 용해도가 좋아 간단한 용액 공정을 통해 높은 결정성을 가진 박막 형성이 가능하고, 높은 전하 이동도와 매우 낮은 엑시톤 결합 에너지(Exciton Binding Energy) 등의 특성을 갖고 있다. 엑시톤 결합 에너지란, 반도체에서 생성된 전자-정공이 정전기적 인력으로 결합된 준입자를 엑시톤이라고 하는데, 이때 전자-정공의 정전기적 인력을 결합 에너지라고 한다.

그러나 지금까지 개발된 고성능의 페로브스카이트는 대부분 가시광선 영역의 흡광 능력만 보유하고 있어 적외선 영역에 해당하는 태양빛의 상당 부분은 이용하지 못하고 있다. 따라서 현재의 페로브스카이트 태양전지 성능을 향상시켜 이론적인 최고 성능을 구현하고 경제적 가치를 증대시키기 위해서는 보다 넓은 흡광 영역의 빛을 이용할 필요가 있다. 여기서 페로브스카이트 태양전지란, 페로브스카이트 결정 구조를 가진 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지를 말한다. 현재 개발 중인 차세대 태양전지 중 가장 성능이 우수하여 미래 에너지원으로 각광받고 있다.

이와 관련, 한국연구재단은 미래창조과학부 기초연구 사업(개인 연구), 기후 변화 대응 기술개발 사업, 신산업창조프로젝트 사업의 지원을 받은 광주과학기술원의 이광희 교수 연구팀이 전압을 높이고 가시광선에서 적외선까지 넓게 빛을 흡수하는 고효율의 신규 하이브리드 태양전지(유기물 광활성층과 유·무기 복합 페로브스카이트 광활성층이 하나의 소자 안에 함께 결합된 태양전지)를 개발했다.

박막형 태양전지의 효율 이론 한계를 극복한다

태양빛은 자외선(7%), 가시광선(44%), 적외선(48%)으로 구성되어 있는데, 현재 미래 에너지원으로 각광받고 있는 페로브스카이트 태양전지는 주로 가시광선 영역에서 에너지를 생성한다. 유기태양전지는 개방 전압과 전하 이동도가 낮아 성능 향상에 제약이 있다.

그러나 가시광선 영역에 제한된 흡광 영역은 보다 높은 성능을 가로막아 관련 분야의 상용화 및 경쟁력 확보에 큰 걸림돌로 작용해 왔다. 그동안 전 세계적으로 많은 연구진들이 이 문제를 해결하기 위해 적외선 영역의 흡광 영역을 가진 새로운 페로브스카이트 물질들을 개발했지만, 성능은 오히려 기존 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 한계점을 갖고 있어 효과적인 해결책이 절실히 요구되고 있다.

연구팀은 이러한 한계점을 극복하기 위해 높은 개방전압(태양전지가 빛을 받아 발생시킬 수 있는 최대 전압값)을 가진 페로브스카이트 광활성층과 적외선 흡광영역을 가진 유기 고분자 광활성층(반도체성 공액 고분자와 C60 유도체의 혼합으로 이루어진 혼합체로 이루어져 있으며 자외선, 가시광선, 근적외선에 이르는 넓은 흡광 영역을 갖고 있다)을 중간 결합층 없이 쌓아 결합한 신규 하이브리드 소자를 개발했다.

이 소자는 적외선 영역에서 빛을 흡수하는 유기태양전지와 가시광선 영역에서 빛을 흡수하는 페로브스카이트 태양전지를 결합한 것이다. 기존의 직렬 또는 병렬형 적층(Tandem) 소자와 달리, 두 광활성층 사이에 중간층이 존재하지 않아 공정을 간소화할 수 있을 뿐 아니라, 전류 맞춤(Current Matching, 두 개의 광활성층에서 빛을 받아 생성하는 전류값을 같아지도록 조절하는 작업)이나 전압 맞춤(Voltage Matching, 두 개의 광활성층에서 빛을 받아 생성하는 전압값을 같아지도록 조절하는 작업)이 요구되지 않는다는 장점이 있다.

또한 유기 광활성층 내부에 높은 전하 이동도를 가진 N형 고분자(Polyera Company에서 개발한 물질로, 약 1cm2/V·s 의 높은 전자 이동도 갖고 있는 공액 고분자)와 새로운 용매 첨가제를 함께 도입함으로써 하이브리드 소자의 성능을 최적화했다. 이를 통해 하이브리드 소자의 에너지 손실을 최소화한 결과, 학계에 보고된 페로브스카이트/유기태양전지 하이브리드 태양전지 중 가장 높은 16.4% 효율의 하이브리드 태양전지를 구현했다.

가시광선에서 적외선 영역에 이르는 넓은 태양광을 효과적으로 이용할 수 있게 됨에 따라 하이브리드 태양전지가 차세대 박막형 태양전지의 효율 이론 한계치를 극복할 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있게 되었다.

이광희 교수는 “이번 연구 성과는 페로브스카이트와 유기 광활성층을 결합해 높은 개방 전압과 넓은 흡광 영역을 동시에 가진 태양전지 개발을 최초로 보고한 것이다. 미래 사회의 에너지난을 해결하기 위한 태양에너지 기술을 한 단계 앞당길 것으로 기대된다”고 연구 의의를 설명했다.

이번 연구는 유기태양전지와 페로브스카이트 태양전지를 연구하는 연구자들에게 기존의 방식을 뛰어넘어 새로운 연구 방향을 제시할 것이며, 더 나아가 기존의 실리콘 태양전지, CIGS 태양전지 등 다른 박막형 태양전지의 성능을 더 증대시키는 데에도 중요한 방향을 제시할 것으로 기대되고 있다. (hellot)