130도 저온공정, 에너지 효율 17% 상회

[Industry News 박관희 기자] 최근 학계는 결정질 실리콘 태양전지를 보완하기 위한 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 고온과 진공이 필요하지 않은 단순한 공정으로, 경제적인 이점을 가진다. 하지만 지금까지의 하이브리드 태양전지는 에너지 효율이 15% 수준에 정체되어 있었다.

현재 가장 높은 효율을 기록한 상용 태양전지는 결정질 실리콘(c-Si)을 재료로, 20% 이상의 높은 에너지 변환효율과 장기 안정성을 가지고 있다. 하지만, 이를 위해서는 섭씨 900도에 이르는 고온 및 진공공정을 반드시 거쳐야해 경제성 측면에서 제약이 있는 것이 사실이다.

따라서 단결정 실리콘계 태양전지의 높은 공정비용을 극복하기 위한 다양한 태양전지 연구가 진행되고 있고, 전도성 고분자 재료와 결정질 실리콘이 복합된 유-무기 하이브리드 태양전지도 그 후보군 중의 하나이다.

국내 연구진이 저온 공정만으로 에너지 변환 효율이 높은 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지를 개발했다. 연세대학교 윤성수 박사‧강달영 교수 연구팀은 기존 결정질 실리콘 태양전지에 비해 간단한 저온 공정 적용으로 제조비용을 획기적으로 저감할 수 있는 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

이번에 개발된 태양전지는 결정질 실리콘 기판 위에 유기 반도체 물질(PEDOT:PSS)을 코팅해 완성되는 태양전지이다. 연구팀은 130℃ 이하의 낮은 온도에서 간단한 공정만을 이용하여 에너지 효율이 17%를 상회하는 세계적인 수준의 고효율 태양전지 개발에 성공했다.

에너지 효율을 높이기 위해서 실리콘 표면을 계층적 구조로 만들어 태양빛의 반사를 감소시켰고, 유기 고분자 물질의 두께를 제어하여 전기에너지 손실을 막아냈다. 또한 각 물질 간 계면에서의 재결합 손실을 줄이기 위하여 상온에서의 접촉인쇄 공정을 개발했다.

강달영 교수는 “이 연구는 고가의 복잡한 공정을 전혀 적용하지 않고 저온에서 매우 간단한 공정만으로 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지 효율을 끌어올린 것”이라며, “후속 연구를 통해 에너지 효율이 더 향상되고, 휘어지고 늘어나는 유연한 태양전지의 개발에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다.

연구 성과는 교육부․한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업(기본연구)의 지원으로 수행됐고, 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머트리얼즈(Advanced Energy Materials)에 게재됐다.

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