페로브스카이트 태양전지 이용 28% 고효율 하이브리드 태양광발전 기술 개발 김 미 선 기자
이번 연구는 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지를 광학적 스펙트럼 분리장치를 이용한 하이브리드 태양광시스템으로 제작해 28%의 고효율을 달성한 것으로, 이 연구결과를 통해 향후 고효율 태양광발전 기술의 실용화에 크게 기여할 것으로 전망된다.
페로브스카이트는 ABX3 화학식을 갖는 결정구조로, 부도체·반도체·도체의 성질은 물론 초전도 현상까지 보이는 특별한 구조의 금속 산화물이며, 특히 A(양이온)에 유기물을 사용할 경우 태양전지 특성이 우수해지는 특징이 있다.
고체형 페로브스카이트 태양전지는 2012년 박 교수팀이 최초로 개발한 이후 저렴하면서도 높은 효율이 가능한 태양전지 신기술로 평가를 받으면서 세계적으로 관심을 받고 있다.
박 교수팀은 선택적으로 투과 또는 반사되는 파장을 조절할 수 있는 광학분리장치(Optical Splitting System)를 이용해 페로브스카이트 태양전지와 실리콘 태양전지를 상부 및 하부에 위치시켜 28% 효율의 태양광발전시스템을 개발하는 데 성공했다.
광학분리 장치가 550나노미터 이하의 빛은 페로브스카이트 태양전지에 입사시키고, 550나노미터 이상의 빛은 실리콘 태양전지에 입사하도록 광분리를 하면 하이브리드 태양전지의 최대 효율을 얻을 수 있게 된다. 이 기술을 이용할 경우 페로브스카이트 태양전지에서 발생하는 전압이 1.2V 이상이 되면 30% 이상의 효율도 가능하다. 이는 전 세계에서 발표된 태양광발전 효율 중 최고 기록에 해당된다.
한편, 성균관대는 2010년부터 일본 화학회사인 카네카로부터 투자를 받아 카네카/SKKU 인큐베이션 센터(KANEKA/SKKU Incubation Center)를 설립해 차세대 디스플레이 및 에너지와 관련한 공동 연구를 진행해 오고 있다. 또, 이번 연구는 미래창조과학부가 추진하는 기후변화대응사업의 지원을 받아 성균관대학교 박남규 교수팀과 일본 카네카가 공동 연구로 진행한 것으로, 연구 결과는 지난 1월 13일 어플라이드피직스레터(Applied Physics Letters)에 게재됐다.
MINI interview
성균관대학교 박 남 규 교수
페로브스카이트 및 실리콘 태양전지의 융합 통해 30% 고효율 태양광발전 가능
이번 연구개발의 배경 및 이유는?
실리콘 태양전지의 고효율화를 위해서는 다른 종류의 태양전지와의 텐덤 기술이 필요하다. 일반적으로 비정질 박막 실리콘 태양전지와의 텐텀기술을 통해 효율을 높이는 연구가 진행되고 있지만, 사실상 큰 효과를 거두지 못하는 실정이다. 그러나 페로브스카이트 태양전지에 사용되는 페로브스카이트 물질은 입사광을 산란시키지 않는다는 특성이 있기 때문에 텐덤에서 상부 셀로 사용하기에 가장 적합하다.
일본 카네카사는 광분리에 의한 하이브리드 태양전지 기술을 가지고 있는 회사로, 페로브스카이트 태양전지와 카네카의 실리콘 태양전지를 융합하자는 제의를 해 왔으며, 이에 공동 연구에 착수하게 됐다.
기존 기술과 비교해 이번 연구 성과의 가장 큰 차이점은 무엇인가?
페로브스카이트 태양전지가 다른 종류의 박막 태양전지보다 텐덤 또는 하이브리드 기술에 있어 매우 우수한 상부 셀로서의 특성을 가진다는 것을 입증할 수 있었다.
이번 기술개발에 관련해 더욱 자세히 설명하자면?
입사하는 빛을 분리할 수 있는 빔 스플리터(Beam Splitter)를 설치하고 상부 셀(페로브스카이트 태양전지)을 수직 방향으로, 하부 셀(실리콘 태양전지)을 수평 방향으로 설치하면, 광 분리기가 짧은 파장의 빛은 반사해 상부 셀에 보내고, 긴 파장의 빛은 투과시켜 하부 셀에 보내는 원리다.
향후 이 기술의 상용화를 위한 기술개발 과제가 있다면?
광분리 기술은 일본에서 상용화가 가능한 기술로 판단된다. 상부 셀인 페로브스카이트 태양전지의 내습성을 향상시켜 장기 안정성이 확보되면 상용화가 가능하다. 내습성은 수분으로부터 수분 방지층을 코팅하거나 수분 방지막을 사용하면 해결될 것으로 보인다.
이번 연구 성과 중 가장 중요하다고 강조하고 싶은 점이 있다면?
페로브스카이트 태양전지 자체도 매우 우수한 특성을 보이지만, 다른 태양전지와 하이브리드할 경우 매우 고효율 소재로 사용이 가능하다. 향후 고전압을 가진 페로브스카이트 태양전지를 실리콘 태양전지와 하이브리드할 경우 30% 이상의 고효율이 가능하다.
SOLAR TODAY 김 미 선 기자 (st@infothe.com)
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