UNIST 공동연구팀, 두 전지 접합한 '탠덤(Tandem)' 태양전지 개발
기존 공정 쓰면서 광전변환 효율 최고 기록···상용화 가능성 ↑

UNIST와 신성E&G가 개발한 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지. <사진=UNIST 제공>
UNIST와 신성E&G가 개발한 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지. <사진=UNIST 제공>
국내 연구진이 개발한 '탠덤(Tandem) 태양전지'가 21.19% 효율을 달성해 상용화 기대를 높였다.

UNIST(총장 정무영)는 신소재공학부 최경진·송명훈 공동연구팀과 신성E&G(대표 김동섭)가 '일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지(Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells)'를 개발했다고 1일 밝혔다.

태양전지는 태양광을 흡수한 반도체가 전기를 생산하는 장치다. '탠덤 태양전지'는 빛 흡수를 최대화하기 위해 성질이 다른 반도체를 연속적으로 쌓은 전지다.

연구팀은 태양전지 시장의 주류를 차지하며 제조 단가가 낮은 실리콘 태양전지(p-Si Al-BSF Solar Cell) 위에 페로브스카이트 태양전지를 접합했다. 이 태양전지의 광전변환 효율은 21.19%로 동일 탠덤 구조에서 최고 기록이다. 

탠덤 구조를 만드는 데는 광학 계산 설계 기술이 쓰였다. 두 태양전지를 결합하면 양쪽에 흐르는 태양광에 따라 전류가 달라져 높은 효율을 낼 수가 없다. 연구팀은 탠덤 태양전지에 맞는 최적 구조를 모델링해 두 태양전지의 장점을 최대한 발휘하는 전류를 찾아 맞췄다.

탠덤 태양전지는 낮은 제조비용으로 높은 효율을 낼 것으로 예상된다. 기존 실리콘 태양전지의 생산공정을 그대로 활용할 수 있으며 페로브스카이트의 고효율 성능이 더해졌기 때문이다.

제1저자인 김찬울 UNIST 신소재공학과 석·박사통합과정 연구원은 "단일 접합 태양전지에는 태양광 흡수 범위가 정해져 있어 다른 영역의 태양광은 투과되거나 열 에너지로 낭비되는 문제가 있다"면서 "다중 접합 태양전지는 서로 보완적인 두 개 이상의 광흡수 반도체를 수직으로 쌓은 구조라 버려지는 에너지를 최소화할 수 있다"고 설명했다.

일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 구조(왼쪽)와 태양전지 성능. 결합층인 인듐주석산화물(ITO)을 기준으로, 아래는 실리콘 태양전지이고 위는 페로브스카이트 태양전지다. p형 실리콘 반도체(P-Si)와 페로브스카이트 반도체(FAPbI3)0.8(MAPbBr3)0.2를 중심으로 전지 구성에 필요한 물질들이 층층이 쌓여 있다. 오른쪽 그래프 중 내부 그래프에 이 태양전지의 효율이 21.1%로 기록돼 있다(21.19%에서 소수점 둘째 자리 버림). <그림=UNIST 제공>
일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 구조(왼쪽)와 태양전지 성능. 결합층인 인듐주석산화물(ITO)을 기준으로, 아래는 실리콘 태양전지이고 위는 페로브스카이트 태양전지다. p형 실리콘 반도체(P-Si)와 페로브스카이트 반도체(FAPbI3)0.8(MAPbBr3)0.2를 중심으로 전지 구성에 필요한 물질들이 층층이 쌓여 있다. 오른쪽 그래프 중 내부 그래프에 이 태양전지의 효율이 21.1%로 기록돼 있다(21.19%에서 소수점 둘째 자리 버림). <그림=UNIST 제공>

현재 실리콘 태양전지 기술은 여러 면에서 한계에 도달했다. 효율은 26.6%(n-type, Heterojunction Back contact 구조)로 이론적 최대 효율인 29%에 가까워졌고, 단가는 PERC 태양전지의 경우 1와트(W) 당 0.16달러(약 181원) 이하로 떨어졌다.

최경진 교수는 "중국을 중심으로 불어닥치는 가격 주도형 '태양광 치킨게임'의 영향으로 제품가격이 꾸준히 하락해 손익분기점을 위협하는 수준에 이르렀다"며 "국내 태양광 기업이 생존하려면 태양전지 효율을 혁신적으로 높이고, 핵심 원천 기술을 확보해 국제적 경쟁력을 갖춰야 한다"고 진단했다.

그는 "우리 연구팀은 국내 최초로 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에 도전해 저비용·고효율 성과를 달성했다"며 "이번 연구가 국내 태양광 산업의 성장에 이바지하길 기대한다"고 말했다. 연구내용은 나노 에너지(Nano Energy) 3월 19일 온라인판에 발표됐다.

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