세계 최고 효율(9.7%)의 박막 태양전지 개발

(a) 반도체 양자점 감응 고체 염료감응 태양전지 소자, (b) 고체디바이스의 단면구조, (c) 실제 디바이스의 단면을 보여주는 주사전자현미경 사진, (d) 이산화티타늄 필름과 투명전도성물질 계면 주사전자현미경 사진.© News1

유‧무기물이 복합된 반도체 염료로 백만분의 1미터 이하의 매우 얇은 산화물전극을 이용해 광전변환 효율을 기존의 2배 이상 극대화한 태양전지가 성균관대 박남규 교수(52) 연구진에 의해 개발됐다.

한국연구재단은 24일 박남규 교수가 주도하고 김희선 학생(제1저자)과 스위스 로잔공대 마이클 그랏첼 교수 등이 수 나노미터의 반도체(유무기하이브리드반도체) 염료를 0.6마이크로미터의 이산화티타늄 필름에 흡착해, 표준 태양광 조건(태양전지에 입사하는 태양광의 세기가 1cm2당 100mW 조건)에서 세계 최고 효율(9.7%)의 박막 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

연구진은 파장에 따른 양자수율을 측정한 결과 300에서 800 나노미터 파장의 빛을 효율적으로 전자로 변환하는 것을 확인했으며, 빛 세기에 따른 실험에서 전하분리가 효율적으로 된다는 사실도 확인했다.

특히 서브마이크로미터(1 마이크로미터 이하) 두께의 이산화티타늄 필름에서 9.7% 효율은 세계최고 수준으로 평가됐다.

박 교수팀이 개발한 양자점 감응 박막 태양전지는 페로브스카이트(ABX3 화학식을 갖는 결정구조) 염료를 스핀 코팅해 분 이내에 흡착할 수 있어, 12시간 이상이 소요되는 유기염료에 비해 공정 시간이 단축되고, 높은 온도에서도 잘 견뎌 열 안정성도 보장된다.

또한 페로브스카이트 염료를 이용한 박막 태양전지는 따로 보호막을 사용할 필요가 없어, 500시간 이상 대기 중에 노출되돼도 효율이 일정하게 유지되는 등 장기 안정성에서도 탁월하다.

지금까지 알려진 염료감응형 태양전지는 빛 흡수율이 낮아 초박막화가 어려워 효율을 높이는데 한계가 있었고, 지금까지 최대 5~6%의 효율로 상용화에는 부족한 성능이다.

박남규 교수는 “염료감응형 태양전지에서 기존의 유기염료를 반도체 염료로 대체하면, 얇으면서도 효율이 높고 매우 저렴한 그리드패러티(태양광 등 대체에너지로 발전하는데 드는 비용이 화석연료와 같아지는 시점 ) 차세대 태양전지를 개발할 수 있다”고 밝혔다.

이 연구 결과는 ‘네이처’의 자매지인 ‘Nature Scientific Reports’ 지 21일자에 게재됐다. (논문명: Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%)

뱍남규 교수(오른쪽), 제 1저자 김희선 학생(가운데) , 공동저자 임성혁 학생© News1

염료감응 태양전지는 식물이 광합성 작용을 모방한 차세대 태양전지로, 광합성을 할 때 빛을 전자로 변환하는 엽록소라는 천연염료 대신 인공적으로 합성된 염료를 TiO2(이산화티타늄) 나노입자에 붙여서 사용한다.

염료감응 태양전지의 작동원리는 이산화티타늄 표면에 흡착된 염료는 태양빛을 받으면 전자를 발생시키고 이 전자가 외부 회로를 통해 이동하면서 전기에너지를 생성하며, 전기적 일을 마친 전자는 염료의 본래 위치로 돌아와 태양전지를 순환하게 된다.

smyouk@news1.kr