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| 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs) 위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현한 한양대 박희준 교수팀·아주대 이재진 교수팀 등 국내연구는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 12월 19일 게재됐다.(자료출처=어드밴스드 에너지 머티리얼스/제공=한양대 박희준 교수팀) |
[아시아뉴스통신=이기종 기자] 한국연구재단(NRF)은 한양대 유기나노공학과 박희준 교수팀이 아주대 이재진 교수팀과 공동으로 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs) 위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현했다고 22일 밝혔다.
최근 개발되는 모바일, 웨어러블 기기들은 대부분 고성능 구현을 위해 높은 배터리가 소비되는 만큼 부가적인 충전과정 없이 일상생활에서 배터리에 에너지를 공급할 수 있는 기술에 대한 관심이 높다.
이로 인해 일상에서 공급되는 빛에너지를 전기에너지로 변환할 수 있는 대표적인 에너지 소자인 태양전지가 주목받고 있다.
또 태양전지는 모바일 및 웨어러블 기기 뿐 아니라 자동차 및 무인비행기의 보조동력원, IoT(Internet of Things) 센서의 에너지원 등으로 효용가치가 높다.
하지만 태양전지의 대표적 소재인 결정성 실리콘(c-Si)은 효과적인 빛에너지 흡수를 위해 일정 두께(수백 마이크로미터 이상) 이상이어야 하고 딱딱하다.
이 때문에 결정성 실리콘을 기반으로 하는 태양전지는 위에서 언급된 미래형 에너지 기기 등에 적용하기가 쉽지 않다.
한편 갈륨-비소(GaAs) 반도체 등 3-5족 화합물반도체 기반 태양전지는 박막 구조를 이용하여 경량화, 플렉시블화 및 고효율화가 가능하기에 앞서의 기기들에 적용하기에 유리하다.
최근 일본 도요타(Toyota), 네덜란드 라이트이어(Lightyear)에서 자동차의 자가전원과 보조동력원으로 3-5족 화합물반도체 기반 태양전지를 활용하여 업계의 큰 관심을 받았다.
이 3-5족 화합물반도체는 주기율표상 3족과 5족에 해당하는 원소로 이뤄진 화합물반도체. 대표적으로 3족의 갈륨과 5족의 비소로 이루어진 갈륨-비소(GaAs) 반도체를 예로 들 수 있다.
또 실리콘과는 달리 수 마이크로미터의 두께만으로도 효과적인 빛 에너지 흡수가 가능하여 박막 구조 플렉시블 태양전지 제작이 가능하고 전자의 이동이 빨라 고성능 구현이 가능하다.
하지만 이같은 화합물반도체 태양전지는 제작비용이 높은 것이 단점이고 이 때문에 태양전지의 광전환효율을 높여 발전단가를 낮추기 위해 두 가지 다른 흡수파장을 가지는 물질을 적층한 탠덤 구조 태양전지에 대한 연구가 진행되어 왔다.
이 탠덤 구조 태양전지의 특성은 광흡수층으로 두 가지 이상의 물질을 사용한 태양전지. 각 물질이 받아들이는 태양광 파장이 다르므로 흡수 가능한 빛 에너지가 많아져 광변환효율을 높일 수 있다.
특히 갈륨-비소 반도체 태양전지는 상부에 다른 흡수파장을 갖는 또 다른 3-5족 화합물반도체인 인듐-갈륨-인(InGaP) 반도체를 적층한 탠덤 구조를 이용하여 효율을 높이는 것이 가능하지만 인듐-갈륨-인 반도체 도입에 따른 제작비용 상승과 복잡한 구조 구현의 어려움이 있었다.
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| 갈륨과 비소로 만든 화합물 반도체(GaAs) 위에 페로브스카이트 반도체를 적층한 고효율 복층구조 탠덤 태양전지를 구현한 한양대 박희준 교수팀·아주대 이재진 교수팀 등 국내연구는 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 12월 19일 게재됐다.(자료출처=어드밴스드 에너지 머티리얼스/자료제공=연구재단) |
이번 연구팀은 이러한 제한점을 해결하기 위해 인듐-갈륨-인과 유사하게 단파장 영역에서 흡수파장을 가지면서 낮은 비용으로 제작 가능한 페로브스카이트 물질을 개발하여 이를 갈륨-비소 반도체 상부에 적층한 페로브스카이트·갈륨-비소 탠덤 구조 태양전지를 최초로 구현했다.
연구과정을 보면 새롭게 개발된 용매증발속도 제어 공정을 이용해 A성분에 삼중양이온을 적용한 페로브스카이트를 제작함으로써 결함이 감소되고 균일도가 증가됨과 동시에 인듐-갈륨-인 반도체와 유사한 단파장 영역의 흡수를 가지는 페로브스카이트 박막을 제작할 수 있었으며, 광안정성 및 성능을 대폭 향상시켰다.
또 인듐-갈륨-인 반도체와 유사한 흡수 파장을 가지는 고효율 고안정성 페로브스카이트를 갈륨-비소 반도체 상부에 적층한 탠덤 구조 태양전지를 최초로 구현함으로써 제작비용 상승 및 복잡한 터널 접합 구조 없이도 갈륨-비소 태양전지의 성능을 대폭 향상시킬 수 있음을 증명했다.
특히 이 탠덤 구조는 박막형 갈륨-비소 태양전지에도 적용 가능하여 우수한 유연성 확보 및 원가절감이 가능한 플렉시블 페로브스카이트/갈륨-비소 탠덤 구조 태양전지를 구현했다.
이 연구결과에 의하면 연구팀이 구현한 복층구조의 태양전지를 적용한 결과 갈륨-비소 태양전지의 성능을 15% 이상 끌어올릴 수 있었다.
이 연구는 과학기술정보통신부, 교육부, 한국연구재단이 추진하는 기초연구사업 등의 지원으로 수행됐고 국제학술지 어드밴스드 에너지 머티리얼스(Advanced Energy Materials)에 12월 19일 게재됐다.
