태양광을 전기로 바꾸는 광전효율이 35% 정도까지 이뤄지면 자동차 외부에 태양전지를 설치해 전기를 생산해 자동차를 운행할 수 있다. 리튬이온 배터리로 가는 전기차에 부착하면 낮에는 태양광을 활용하고, 밤에는 배터리로 이동하는 하이브리드 태양광 전기차를 만들 수 있다. 테슬라의 일론 머스크도 이런 세상을 꿈꾸고 있다. 나아가 중장기적으로 태양광만으로 밤에도 낮에 생산해놓은 청정 연료인 수소로 전기를 발생시키면 완전히 태양광으로만 이동하는 자동차가 나올 수도 있다.
과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 ‘이달의 과학기술인상’ 5월 수상자로 선정된 신병하(47·사진) KAIST 신소재공학과 교수는 실리콘과의 이종 접합에 최적화된 고효율·고안정성의 큰 밴드갭 페로브스카이트 태양전지를 개발했다. 밴드갭은 반도체에 전자가 머물 수 있는 특정 궤도로 구성된 두 개의 밴드 사이의 에너지 차를 뜻한다. 페로브스카이트는 기존 태양전지가 빛을 전기로 바꿔주는 내부 반도체로 실리콘을 사용하는 것에 비해 제조 공정이 복잡하긴 하나 저렴하고 광전효율이 높은 차세대 태양전지 소자다.
세계적으로 오는 2050년 탄소 중립을 실현하기 위해서는 태양광 등 재생에너지 효율 향상이 관건으로 꼽힌다. 하지만 기존 단일 태양전지는 빛을 전기로 바꾸는 광전효율이 이론상 30% 초반을 넘지 못하는 한계가 있어 최근 2개 이상의 태양전지를 연결하는 탠덤 태양전지 개발이 활발하다. 하지만 탠덤 태양전지 상부 소자로 주목받는 페로브스카이트는 빛·수분 등 외부 환경에 민감해 고안정성 소자 합성에 한계가 있다.
신 교수 연구팀은 새로운 음이온을 갖는 첨가제를 도입해 페로브스카이트 박막 내부에 형성되는 2차원 안정화층의 전기적·구조적 특성을 조절할 수 있음을 구명해냈다. 고해상도 투과전자현미경 분석법을 이용해 안정화층의 화학적·구조적 특성도 밝혔다.
이를 기반으로 그의 연구팀은 세계 최고 수준의 광전효율을 갖는 큰 밴드갭 페로브스카이트 태양전지를 제작하고, 실리콘 태양전지와 결합한 탠덤 소자를 개발했다. 실험 결과 논문으로 보고된 탠덤 소자 중 최고 수준인 26.7%의 높은 광전효율을 달성했다. 특히 첨가제 음이온을 조절하는 방법으로 큰 밴드갭의 취약점이던 광안정성을 1,000시간 연속 조사(照射)하는 동안 초기 대비 80% 이상 유지했다.
신 교수팀이 개발한 고효율·고안정성의 큰 밴드갭 페로브스카이트는 실리콘뿐만 아니라 구리·인듐·갈륨·셀레늄의 4원소로 이뤄진 CIGS(Cu,In,Ga,Se2) 박막 태양전지와도 탠덤이 가능하다. CIGS 박막 태양전지는 별도의 표면 가공이 필요 없어 페로브스카이트와의 탠덤 소자 구현이 더욱 용이할 것으로 보인다. 이 연구 성과는 지난해 3월 국제 학술지 ‘사이언스’에 실렸다.
신 교수는 “첨가제 도입법을 통한 태양전지 소자의 안정화 기법에 대한 방향을 제시했다는 데 의의가 있다”며 “페로브스카이트 물질을 이용한 태양전지, 발광 다이오드, 광검출기 등 광범위한 광전자 소자 분야에 응용될 수 있을 것”이라고 기대했다.
/고광본 선임기자 kbgo@sedaily.com
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