[위즈뉴스] 실리콘 반도체의 약점을 극복하기 위해 유연한 화합물 반도체와 가성비 좋은 페로브스카이트 반도체가 만났다.
태양빛을 흡수해 전기를 만드는 태양전지의 소재로 널리 쓰이는 실리콘 반도체는, 태양광 발전으로 널리 활용되고 있지만 두껍고 딱딱해 용도가 한정되어 있었다.
최근, 이런 실리콘 반도체에 비해 효율이 높고 경량화와 유연화에 유리한 화합물 반도체가 개발되었다는 연구결과가 나와 화제를 관심을 모으고 있다. 그간, 화합물 반도체는 제작비용이 높아 활용에 제약이 많았다.
한국연구재단 19일, 한양대 박희준 교수와 아주대 이재진 교수 연구팀이 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs) 위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현했다고 밝혔다.
이번 연구성과는 에너지 분야 SCI급 국제학술지 '어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials, IF=24.884)' 지난해 12월 19일자에 게재되었으며 또, 표지논문으로 선정되었다. 논문 제목은 'Wide-bandgap perovskite/gallium arsenide tandem solar cells'이다.
연구팀이 이번에 구현한 방식은, 장파장 빛을 흡수하는 화합물 반도체 결정 위에 단파장의 빛을 흡수하는 페로브스카이트 박막을 적층해 보다 다양한 파장의 빛을 활용하도록 함으로써 전기에너지 변환효율을 높이는 방식이다.
두껍고 딱딱한 실리콘 반도체와 달리 화합물 반도체는 얇은 박막 형태로 빛을 흡수할 수 있어 경량화와 유연화에 유리하다. 때문에 자동차, 무인비행기, 웨어러블 기기 및 IoT 센서 등의 동력원으로 주목받는다.
하지만 화합물 반도체 제작에 높은 비용의 유기금속화학증착법이 이용되는 만큼 광변환효율을 높여 발전단가를 낮추는 것이 실용화의 관건이었다.
기존에도 단파장 빛을 흡수하는 인듐-갈륨-인(InGaP) 태양전지를 갈륨-비소 화합물 태양전지 위에 적층하여 효율을 높이려는 시도는 있었다.
하지만 인듐-갈륨-인 태양전지는 제작비용이 높고 복잡한 구조 때문에 오히려 발전단가를 상승시켰다.
이에 연구팀은 저온 용액공정으로 손쉽게 제작할 수 있는 가성비 좋은 페로브스카이트 박막을 적층하는 방식으로 화합물 반도체 태양전지의 효용가치를 높이는 구조를 설계했다.
실제 연구팀이 구현한 복층구조의 태양전지를 적용한 결과 갈륨-비소 태양전지의 성능을 15% 이상 끌어올릴 수 있었다.
연구팀은 "가볍고 유연한 화합물반도체 태양전지의 광전환효율을 높이기 위해 다른 흡수파장을 갖는 고가의 또 다른 화합물반도체를 적층하는 대신 저가의 페로브스카이트를 활용한 탠덤 구조 태양전지 구현으로 기존 적층에 따른 높은 비용 상승 부담을 완화했다"면서 "이번에 제안된 고효율 플렉시블 페로브스카이트/화합물반도체(3-5족) 기반 태양전지 모듈은 자동차, 모바일 및 웨어러블 기기 및 드론, 무인 항공기, IoT용 센서 등 다양한 미래 에너지 산업 분야에 응용될 수 있을 것으로 기대된다"고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업(중견연구 및 기본연구 등) 등의 지원으로 수행됐다.
