한국에너지기술연구원(KIER) 연구진이 차세대 태양전지 기술 분야에서 세계 최고 수준의 효율을 달성하며 새로운 기록을 세웠다.

연구진이 개발한 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 실험실에서 27%의 변환효율을 기록했으며, 독일 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(Fraunhofer ISE)의 공식 인증을 통해 26.7%의 효율을 인정받았다.

이번 성과는 미국 국립재생에너지연구소(NREL)가 발표하는 태양전지 연구 효율 차트에도 반영됐다.

26.7%의 효율은 지난해 서울대학교와 한국과학기술연구원(KIST) 연구진이 세운 26.3%의 종전 기록을 넘어선 수치다.

탠덤 태양전지는 기존 실리콘 태양전지가 가진 광전 변환효율의 한계를 극복하기 위해 개발되고 있는 차세대 태양전지 기술이다. KIER 연구진은 구리·인듐·갈륨·셀레늄(CIGS)으로 구성된 태양전지 위에 페로브스카이트 층을 적층하는 구조를 적용했다.

두 소재는 태양광의 서로 다른 파장 영역을 흡수한다. 상부의 페로브스카이트 층은 에너지가 높은 청색광과 자외선 영역의 빛을 주로 흡수하고, 상대적으로 긴 파장의 빛은 하부 CIGS 층까지 통과해 추가로 흡수된다.

이러한 다중 흡수 구조를 통해 하나의 소재만 사용하는 기존 태양전지보다 태양광을 보다 효율적으로 활용할 수 있다. 동시에 얇고 가벼운 구조를 유지할 수 있다는 장점도 있다.

다만 서로 다른 두 소재를 적층하는 과정에서 각 층의 손상을 최소화하면서 빛과 전기의 손실을 줄이는 것이 핵심 기술 과제로 꼽힌다.

KIER 연구진은 두 소재가 맞닿는 계면에 보호층을 적용하고, 상부 투명전극의 구조를 새롭게 설계해 이러한 문제를 개선했다. 이를 통해 전기적 손실을 줄이는 동시에 불필요한 광흡수를 억제했다.

연구를 이끈 정인영 연구책임자는 계면에서 발생하는 손실과 광학적 손실을 줄임으로써 태양전지의 효율뿐 아니라 안정성까지 동시에 향상시킬 수 있음을 이번 연구를 통해 확인했다고 설명했다.

이번에 26.7%의 효율이 공식적으로 인증된 태양전지는 활성 면적이 1㎠ 미만인 소형 연구용 셀이다.

앞서 독일 헬름홀츠 베를린 연구센터와 베를린 훔볼트대학교 연구진은 1㎠를 초과하는 활성 면적의 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지에서 25.5%의 효율을 기록한 바 있다.

특히 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 얇고 가벼우며 유연한 특성을 갖고 있어 향후 건축물이나 이동수단 등에 적용할 수 있을 것으로 기대된다.

무게와 설치 면적에 대한 제약이 큰 우주 분야에서도 활용 가능성이 거론된다. 소형 위성이나 궤도상 데이터센터 등 고효율·경량 전력원이 필요한 분야에서 새로운 에너지원으로 활용될 가능성이 있다는 평가다.

KIER는 현재 국내 기업들과 협력해 실험실 수준의 초소형 태양전지를 실제 상용화가 가능한 대면적 모듈로 확대하기 위한 기술 개발을 추진하고 있다.

이번 연구 성과는 차세대 탠덤 태양전지의 고효율화뿐만 아니라 경량·유연 태양전지의 실제 적용 가능성을 높였다는 점에서 의미가 있다는 평가를 받고 있다.

[자료: 해외 보도자료 종합]