DGIST, 반사광까지 전력으로 바꾸는 차세대 태양전지 개발

에너지환경연구부 황대규·김대환 연구팀, 투명 고분자 전극으로 양면 발전 구현...안티몬계 박막·탠덤 구조 결합, 최대 12.32% 효율 달성

[프라임경제] DGIST(대구경북과학기술원)이 태양광뿐 아니라 지면이나 주변 환경에서 반사되는 빛까지 전력 생산에 활용할 수 있는 차세대 태양전지 기술을 선보였다.

사진 왼쪽부터 DGIST 에너지환경연구부 황대규 책임연구원, 김대환 책임연구원. ⓒ DGIST

DGIST 에너지환경연구부 황대규·김대환 연구팀은 투명 고분자 전극을 활용해 양쪽 면에서 빛을 흡수하고 전기를 생산하는 안티몬계(Sb₂(S,Se)₃) 박막 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

태양전지의 발전 효율을 높이기 위해서는 태양에서 직접 전달되는 빛뿐 아니라 지면과 주변 물체에 반사된 광에너지까지 효과적으로 활용하는 것이 중요하다. 

이에 따라 앞면과 뒷면에서 모두 빛을 받아 발전하는 양면형 태양전지와, 서로 다른 파장의 빛을 흡수하는 태양전지를 결합한 탠덤 구조가 차세대 기술로 관심을 받고 있다.

그러나 양면형 태양전지는 뒷면으로 빛이 통과하도록 하면서도 전류를 효율적으로 수집해야 한다. 투명성과 전기전도성을 동시에 확보할 수 있는 후면전극 개발이 기술 구현의 핵심 과제로 꼽혀왔다.

연구팀은 여러 종류의 전도성 고분자 소재를 용액 공정으로 적층하는 방식으로 투명 후면전극을 제작했다. 여기에 디메틸설폭사이드(DMSO)를 첨가해 전극의 전기적 특성을 개선했다. 그 결과 투명도를 유지하면서 전극의 전기저항을 기존 대비 약 1만분의 1 수준으로 줄이는 데 성공했다.

이를 적용한 안티몬계 태양전지는 앞면에서 빛을 조사했을 때 8.2%, 뒷면에서 빛을 비췄을 때 3.3%의 광전변환효율을 나타냈다.

연구팀은 해당 태양전지를 상부 셀로 구성하고, 다른 파장 영역의 빛을 흡수하는 구리·인듐·셀레늄(CuInSe₂) 기반 태양전지를 하부 셀로 결합한 4단자 탠덤 소자도 구현했다. 두 태양전지를 결합한 소자는 최대 12.32%의 광전변환효율을 기록했다.

특히 앞면과 뒷면에 각각 1 sun의 빛을 동시에 조사한 조건에서 탠덤 소자의 양면 발전밀도는 18.81mW/cm²에 도달했다. 주변에 반사되거나 분산되는 빛을 추가적인 발전원으로 활용할 수 있다는 가능성을 확인한 것이다.

연구팀은 이번 성과가 투명 고분자 전극을 통해 안티몬계 태양전지의 양면 발전을 구현하고, 탠덤 태양전지로 확장할 수 있음을 보여준 연구라고 설명했다.

황대규·김대환 연구팀은 "전극과 광흡수층 사이의 계면 특성, 빛의 전달과 흡수에 영향을 주는 광학 구조를 추가로 개선해 발전 성능을 높일 계획"이라고 밝혔다.

이번 연구는 DGIST R&D 프로그램과 과학기술정보통신부 이노코어(InnoCORE) 프로그램, 한국연구재단, 한국산업기술진흥원(KIAT)의 지원으로 진행됐다. 연구 결과는 재료 분야 국제 학술지 'Advanced Materials'에 게재됐다.