포스텍은 박태호 화학공학과 교수와 김홍일 박사과정 연구팀이 캐나다 토론토대 연구팀과 공동으로 콜로이드 양자점(CQD)과 유기 분자를 결합해 모놀리식 통합 하이브리드 탠덤 태양전지(TSC)를 합성하는 데 성공했다고 2일 밝혔다. 양자점을 이용해 기존 탠덤 태양전지를 뛰어넘는 효율을 보인 성과로 평가받는다.
빛을 흡수하는 파장 영역이 다른 두 개 이상의 태양전지용 반도체를 쌓아 올려 만든 탠덤 태양전지는 다른 영역의 빛을 더 많이 흡수시켜 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대를 모아왔다. 가시광선 영역에서 더 많은 빛을 흡수할 수 있는 소자지만 유기물과 접합한 기존 탠덤 태양전지는 아직 단일 태양전지의 성능에는 미치지 못했다.
연구팀은 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유롭게 바꿀 수 있는 양자점에 주목했다. 양자점은 반도체를 아주 작게 만든 물질이다. 다른 광활성층 물질이 흡수하지 못하는 적외선 영역까지도 흡수하는 것이 장점이다.
용액공정을 통해 근적외선 영역에서 광 흡수성이 뛰어난 양자점을 여러 겹으로 쌓아 올리고, 이중 근적외선(NIR) 흡수기를 사용해 다양한 파장대를 흡수할 수 있는 전략적 광학 구조를 갖는 하이브리드 태양전지를 개발했다. 특히 유기물층이 양자점 용매에 녹아 필름이 제거되는 문제를 해결하기 위해 다중 흡수층을 도입했다.
이렇게 개발된 양자점 하이브리드 탠덤 태양전지의 정합 전류는 15.2mA ㎝-2로 크게 향상됐다. 또 개별 단일 접합 전지보다 높은 13.7% 전력 변환 효율(PCE)을 보여 기존 탠덤 태양전지가 가지고 있던 한계를 뛰어넘는 높은 효율을 나타냈다.
한국연구재단의 지원을 받아 수행된 이번 연구성과는 재료 분야 권위지인 '어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)'에 최근 게재됐다.
포항=정재훈기자 jhoon@etnews.com
