DGIST, 차세대 양면형 탠덤 태양전지 구현

DGIST(총장 이건우) 에너지환경연구부 황대규·김대환 연구팀이 투명한 고분자 후면전극을 적용해 앞면과 뒷면 양쪽에서 들어오는 빛을 모두 전기로 바꾸는 고효율 '양면형 안티몬계(Sb₂(S,Se)₃) 박막 태양전지'를 개발했다.

태양전지의 발전량을 한 단계 더 끌어올리려면 하늘에서 직접 내리쬐는 빛뿐 아니라, 바닥이나 주변 사물에 반사돼 흩어지는 빛까지 모두 모아 에너지로 활용하는 기술이 필수적이다. 이를 위해 앞뒷면 모두에서 빛을 흡수하는 '양면형 구조'나, 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 두 개 태양전지를 겹쳐 효율을 극대화하는 '탠덤(Tandem) 구조'가 차세대 태양전지 기술로 주목받고 있다. 

하지만 양면 발전을 온전히 구현하려면 빛을 그대로 통과시키면서도 전기를 효율적으로 모을 수 있는 고성능의 맑고 투명한 후면전극을 개발하는 것이 과제였다.

연구팀은 투명성을 띠는 특수 전도성 고분자 물질들을 용액 공정으로 겹겹이 쌓아 올려 고성능 투명 후면전극 구조를 고안하며 이 문제를 획기적으로 해결했다. 전도성 고분자에 특정 첨가제(DMSO)를 넣어 전기가 통하는 성질을 정밀하게 조절한 결과, 빛을 투과시키는 투명한 특성은 그대로 유지하면서도 전기가 흐르는 데 방해가 되는 전기 저항을 무려 1만 배(4자릿수)나 대폭 낮추는 데 성공했다.

이렇게 완성된 양면형 안티몬계 태양전지는 앞면 조명에서 8.2%, 뒷면 조명에서 3.3%의 우수한 광전변환효율을 기록했다. 나아가 연구팀은 이 태양전지를 위층(상부셀)에 두고, 상대적으로 다른 파장의 빛을 흡수하는 태양전지(CuInSe₂)를 아래층(하부셀)에 결합한 '4단자 탠덤 구조'를 성공적으로 구현해 냈다.

두 개 전지가 결합된 탠덤 소자는 서로의 장점을 십분 발휘해 최고 12.32% 우수한 변환효율을 달성했다. 특히, 앞면과 뒷면에 동시에 빛을 비췄을 때(앞뒷면 각각 1 sun) 탠덤 소자의 양면 발전밀도는 18.81mW/cm²까지 도달하며 주변의 흩어지는 반사광까지 낭비 없이 전력으로 뿜어내는 뛰어난 성능을 입증했다.

DGIST 에너지환경연구부 황대규·김대환 연구팀은 “연구는 새로 개발한 투명 고분자 후면전극을 통해 안티몬계 태양전지의 양면 발전 가능성은 물론, 탠덤 태양전지로의 적용 가능성까지 완벽하게 입증한 것”이라며, “앞으로 전극과 빛 흡수층 사이의 경계면 및 광학적 구조를 추가로 최적화해 태양전지의 성능을 한층 더 끌어올릴 계획”이라고 밝혔다.

연구는 DGIST R&D 프로그램과 과학기술정보통신부 이노코어(InnoCORE) 프로그램, 한국연구재단 및 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원을 받아 수행됐다. 연구 결과는 에너지 및 재료 분야 세계적 학술지인 'Advanced Materials'에 게재됐다.