DGIST, 고효율 ‘양면형 탠덤 태양전지’ 개발

DGIST(총장 이건우) 에너지환경연구부 황대규·김대환 연구팀이 앞 뒷면 모두에서 빛을 흡수하는 양면 박막 태양전지 발전 성능을 극대화하고, 이를 응용한 차세대 태양전지 구조를 통해 최고 수준의 양면 발전밀도를 달성했다.

AI데이터센터 확산으로 전력 수요가 급증하면서, 제한된 부지에서 발전량을 극대화할 고효율 태양전지의 중요성이 커지고 있다. 전면과 후면 빛을 모두 활용하는 4단자 양면 탠덤(Tandem) 태양전지는 발전 효율과 에너지 수율을 높일 차세대 기술로 주목받는다. 하부 전지로는 박막형 양면수광 CIGS 전지가 유망하지만, 투명 전극과 광흡수층 사이에 불필요한 산화물이 형성돼 효율이 저하되는 한계가 있었다.

연구팀은 투명 후면전극 두께를 200나노미터(nm)로 정밀하게 조절하고 은(Ag) 합금화 공정 등을 선별적으로 적용해 이 문제를 획기적으로 해결했다. 전하 이동을 방해하는 산화물 층의 형성을 억제함으로써 전하 수집 효율을 크게 높이고 양면 발전 성능을 극대화했다.

새롭게 최적화된 양면형 CIGS 태양전지는 실제 반사광 환경을 모방한 조건에서 19.05 mW/cm²의 우수한 '양면 발전밀도(앞뒷면에서 동시에 빛을 흡수해 만들어내는 단위 면적당 전력 생산량)'를 기록했다.

연구팀은 이 태양전지 위에 짧은 파장의 빛을 효과적으로 흡수하는 페로브스카이트 태양전지를 겹쳐 올려, 태양광 흡수 범위와 이용 효율을 높인 탠덤 태양전지 구조를 구현했다. 그 결과, 28.42 mW/cm²라는 최고 수준의 양면 발전밀도를 기록하며 4단자형 페로브스카이트-CIGS 양면 박막 탠덤 태양전지의 기술적 실현 가능성을 한층 높였다.

황대규 DGIST 책임연구원은 “개발된 4단자 탠덤 태양전지는 상·하부 셀이 독립적으로 작동해 다양한 빛 입사 및 반사 조건에 유연하게 대응할 수 있어 상용화에 매우 유리하다”고 설명했다. 

김대환 책임연구원은 “향후 계면 및 광학 구조를 정밀하게 최적화해 한층 더 높은 출력을 달성하겠다”고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부와 한국연구재단, 산업통상자원부 한국산업기술진흥원(KIAT) 등의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과(제1저자: 융합전공 아마낫 알리(Amanat Ali) 석박사통합과정생)는 에너지 분야 국제 저명 학술지인 'Carbon Energy'에 게재됐다.