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이번 연구를 통해 개발한 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 모습 / 에기연 제공

[투데이에너지 임자성 기자] 물리적 한계에 부딪힌 실리콘을 넘어 차세대 태양광 시장의 판도를 바꿀 박막 탠덤 태양전지 기술에서 국내 연구진이 다시 한번 세계 최고 효율을 경신했다. 가볍고 유연한 특성까지 확보해 도심 건물과 모빌리티는 물론 차세대 우주 항공 전력원 시장까지 선점할 수 있는 교두보를 마련했다는 평가다.

한국에너지기술연구원 태양광연구단은 페로브스카이트와 CIGS를 결합한 탠덤 태양전지로 26.7%의 세계 최고 공인 효율을 달성했다. 지난해 서울대·KIST 공동연구팀이 기록한 26.3%를 1년 만에 뛰어넘으며 차세대 박막 태양광 분야에서 한국의 독보적인 기술 리더십을 입증했다.

이번 성과는 독일 프라운호퍼 태양에너지시스템연구소(Fraunhofer ISE)로부터 공식 인증을 획득했으며, 미국 국립록키연구소(NLR)가 발간하는 '태양전지 최고 효율 차트(Best Research-Cell Efficiencies Chart)'에 세계 최고 기록으로 공식 등재됐다. 연구실 기준으로는 27% 수준의 효율을 기록했다.

기존 상용 실리콘 태양전지는 단일 소재의 물리적 한계로 인해 효율 향상이 정체된 상태다. 연구진이 구현한 페로브스카이트/CIGS 탠덤 구조는 상부에 페로브스카이트, 하부에 CIGS 태양전지를 배치해 서로 다른 파장대의 태양광을 나누어 흡수함으로써 발전 효율을 극대화한다. 두 소재 모두 얇은 막 형태로 제작할 수 있어 고효율과 경량·유연성을 동시에 확보할 수 있다.

연구진은 이종 물질을 접합할 때 발생하는 페로브스카이트 광흡수층의 열화와 불필요한 기생 흡수 문제를 해결하기 위해 맞춤형 계면층 소재 및 공정 기술을 개발했다. 아울러 상부 투명전극과 전하수송층 구조를 최적화해 광전류 손실을 최소화했다.

이 같은 박막 탠덤 기술은 동일 면적 대비 전력 생산량이 월등할 뿐 아니라 유연하고 가벼워 도심 건물 일체형 태양광(BIPV), 전기차 루프는 물론 무게와 면적 제약이 엄격한 소형 위성, 우주 데이터센터 등 미래 우주산업의 차세대 전력원으로 폭넓게 쓰일 전망이다.

연구를 주도한 정인영 한국에너지기술연구원 선임연구원은 "페로브스카이트와 CIGS 접합 과정에서 일어나는 계면 손실과 광학적 손실을 동시에 억제해 효율과 장기 안정성을 크게 개선했다"며 "글로벌 공인 기관을 통해 세계 최고 효율을 인정받음으로써 국내 박막 태양광 기술의 객관적 경쟁력을 확인했다"고 설명했다.

한편 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업 및 과학기술정보통신부 무탄소에너지핵심기술개발사업의 지원을 받아 수행됐다.

[용어 설명]

탠덤(Tandem) 태양전지: 서로 다른 파장대의 빛을 흡수하는 두 개 이상의 태양전지를 층층이 쌓아 올려 단일 소재의 이론적 한계를 극복하고 효율을 극대화한 구조.

페로브스카이트(Perovskite): 특유의 결정 구조를 가진 반도체 소재로, 제조 공정이 단순하고 단파장(가시광선) 영역의 빛을 효율적으로 흡수함.

CIGS 태양전지: 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)으로 구성된 화합물 박막 태양전지로, 장파장(근적외선) 영역의 빛 흡수에 유리하며 얇고 유연하게 제작 가능함.

계면(Interface) 열화: 서로 다른 물질이 맞닿는 경계면에서 결함이나 화학적 반응이 발생해 전하 이동이 방해받고 소자의 성능과 수명이 떨어지는 현상.

출처 : 투데이에너지(https://www.todayenergy.kr/)