고효율 하이브리드 태양전지 개발

- 전압 높이고, 적외선 빛 흡수하는 최초 기술 발표 - 

 

<그림 1> 신규 하이브리드 태양전지 개념도 및 작동 원리. (a) 적외선을 흡수하는 유기태양전지 광활성층과 가시광선을 흡수하는 페로브스카이트 층이 결합된 신규 하이브리드 태양전지의 구조  (b) 페로브스카이트와 적외선 흡광 고분자의 흡수 측정 결과 (c) 하이브리드 태양전지에서 가시광선을 흡수한 페로브스카이트(보라색)가 전하를 생성하는 과정 및  (d) 적외선을 흡수한 유기 광활성층(녹색)이 전하를 생성하는 과정

 

 

□ 한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 기후변화대응기술개발사업, 신산업창조프로젝트 사업의 지원을 받은 이광희 교수 연구팀(광주과학기술원)이 전압을 높이고 가시광선에서부터 적외선까지 넓게 빛을 흡수해 고효율의 신규 하이브리드 태양전지*를 개발했다고 밝혔다.  

 

  * 하이브리드 태양전지 : 유기물 광활성층과 유·무기 복합 페로브스카이트 광활성층이 하나의 소자 안에 함께 결합된 태양전지  

 

□ 태양빛은 자외선(7%), 가시광선(44%), 적외선(48%)으로 구성되어 있다. 현재 미래 에너지원으로 각광 받고 있는 페로브스카이트 태양전지**는 주로 가시광선 영역에서 에너지를 생성한다. 유기태양전지***는 개방 전압이 낮고, 전하 이동도가 낮아 성능 향상에 제약이 있다.

 

  ** 페로브스카이트 태양전지: 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지. 현재 개발중인 차세대 태양전지 중 가장 성능이 우수하여, 각광 받는 미래 에너지원이다. 

  *** 유기태양전지 : 반도체성 공액 고분자와 C60 유도체의 혼합으로 이루어진 광활성층을 갖는 태양전지. 저온 용액 공정이 가능하며, 가볍고 기계적 유연성을 갖추고 있어 차세대 태양전지로서 각광받고 있다.

 

 

 

<그림 2> 기존 페로브스카이트 태양전지(검정색)와 신규 하이브리드 태양전지(적색)의 a) 전류-전압 측정 곡선 및 b) 외부양자효율(External quantum efficiency) 측정 결과. 외부양자효율 측정을 통하여 신규 하이브리드 태양전지가 기존 페로브스카이트 태양전지보다 넓은 흡광 영역을 가지는 것을 확인할 수 있음. 

 

 

□ 연구팀은 이러한 기존 차세대 태양전지의 한계점을 극복하기 위하여 높은 개방전압****을 갖는 페로브스카이트 광활성층과 적외선 흡광영역을 갖는 유기 고분자 광활성층*****을 중간 결합층 없이 쌓아 결합한 신규 하이브리드 소자를 개발하였다. 또한 유기 광활성층 내부에 높은 전하 이동도를 갖는 N형 고분자******와 새로운 용매 첨가제를 함께 도입함으로써 하이브리드 소자의 성능을 최적화하였다. 그 결과, 학계에 보고된 페로브스카이트/유기태양전지 하이브리드 태양전지 중 가장 높은 16.4% 효율의 하이브리드 태양전지를 구현하였다. 

 

  **** 개방전압 : 태양전지가 빛을 받아 발생시킬 수 있는 최대 전압값

  ***** 유기 고분자 광활성층 : 반도체성 공액 고분자와 C60 유도체의 혼합으로 이루어진 혼합체로 이루어져 있으며, 자외선, 가시광선, 근적외선에 이르는 넓은 흡광 영역을 가지고 있다. 

  ****** N형 고분자 : Polyera company에서 개발한 물질로서, 약 1 cm2/V·s 의 높은 전자 이동도 갖고 있는 공액 고분자

 

□ 가시광선에서부터 적외선 영역에 이르는 넓은 태양광을 효과적으로 이용할 수 있게 개발됨으로써 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 결합하여 높은 개방 전압과 넓은 흡광 영역을 동시에 갖는 태양전지 개발을 최초로 보고한 것이다. 미래사회 에너지난을 해결하기 위한 태양에너지 기술을 한 단계 앞당길 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다. 

 

□ 이 연구결과는 재료과학 분야 세계적 권위지인 ‘어드밴스드 머티리얼즈(Advanced Materials)"  4월 27일자에 게재되었다.     

 

 

<논문의 주요 내용>

 

1. 연구의 필요성
 ○ 페로브스카이트 태양전지는 우수한 전기적 특성으로 인해 높은 성능을 갖는 태양전지로 최근 가장 각광 받는 차세대 태양전지이다. 
 ○ 하지만 가시광선 영역에 제한된 흡광 영역은 보다 높은 성능을 가로막아 관련 분야의 상용화 및 경쟁력 확보에 큰 걸림돌로 작용해왔다. 
 ○ 그 동안 전 세계적으로 많은 연구진들이 이 문제를 해결하기 위하여 적외선 영역의 흡광 영역을 갖는 새로운 페로브스카이트 물질들을 개발해 왔다. 그러나 성능은 오히려 기존 페로브스카이트 태양전지보다 낮은 한계점을 갖고 있어 효과적인 해결책이 절실히 요구되는 상황이다.

 

2. 연구내용
 ○ 기존 유·무기 페로브스카이트 태양전지가 갖는 최대 난제인 제한된 흡광 영역을 획기적으로 극복할 수 있는 고효율의 신규 하이브리드 태양전지를 개발하였다. 
 ○ 가시광선의 흡광영역을 갖는 페로브스카이트 광활성층 위에 적외선 흡광영역을 갖는 유기 광활성층을 중간 계면 층의 도입 없이 적층하여 가시광선에서부터 적외선 영역까지 넓은 흡광영역을 갖는 하이브리드 태양전지를 개발하였다.  
 ○ 특히 하이브리드 태양전지의 효율 손실을 최소화하기 위하여 유기 광활성층 내부에 높은 전하 이동도를 갖는 N형 고분자와 새로운 용매 첨가제를 함께 도입함으로써 전하 생성 효율 및 이동 특성을 최적화하였다. 현재까지 학계에 보고된 하이브리드 태양전지 중 가장 높은 효율인 16.4%를 나타냈다.

 

3. 연구 성과
 ○ 페로브스카이트 태양전지가 갖는 본래의 높은 개방전압*과 전하 수집 능력을 감소하지 않으면서 흡광 영역을 적외선까지 넓힐 수 있다는 점을 최초로 보인 연구 결과이다. 
 * 개방전압: 태양전지가 빛을 받아 발생시킬 수 있는 최대 전압값. Open circuit voltage라고 명명함. 
 ○ 또한 이를 통하여 페로브스카이트 태양전지의 이론 효율 한계치를 극복할 수 있는 가능성을 제시하였을 뿐만 아니라 상용화를 앞당기는 데에도 크게 기여할 것으로 기대된다.      <끝>

 

 

 

한국연구재단‧GIST 대외협력팀