저온공정 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지 개발

- 간단하고 값싼 고효율 태양전지 가능

한국연구재단은 윤성수 박사‧강달영 교수(연세대학교) 연구팀이 저온 공정만으로 에너지 변환 효율이 높은 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

실리콘-유기물 하이브리드 태양전지는 결정질 실리콘 기판 위에 유기 반도체 물질(PEDOT:PSS)을 코팅하여 완성되는 태양전지로서, 기존 결정질 실리콘 태양전지에 비해 간단한 저온 공정이 적용돼 제조비용을 획기적으로 저감할 수 있다. 

이 연구 성과는 교육부․한국연구재단 이공학개인기초연구지원사업(기본연구)의 지원으로 수행되었다. 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머트리얼즈(Advanced Energy Materials) 12월 7일에 <High Efficiency (>17%) Si-Organic Hybrid Solar Cells by Simultaneous Structural, Electrical, and Interfacial Engineering via Low-Temperature Processes> 제목으로 게재되었다.

▲ 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지의 제조공정 개략도. 실리콘 표면을 기둥 + 피라미드 형상의 계층적 구조화 시킨 후, 상온 접촉인쇄법으로 계면에 초박막을 형성하고 유기물 PEDOT:PSS를 스핀 코팅함. 최종적으로 상부/하부 전극을 증착하여 태양전지 소자 제조 완료.
신재생에너지로 각광받는 태양전지 중에서도 현재 시장에서 주류를 차지한 것은 결정질 실리콘 태양전지이다. 이들은 높은 에너지 효율(20% 이상)과 장기적인 안정성이 큰 장점이지만, 제조공정에서 고온과 진공을 이용하여 매우 복잡하고 비용이 많이 요구된다. 

결정질 실리콘 태양전지를 보완하기 위해 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지 연구가 활발히 진행되고 있다. 이는 고온과 진공이 필요하지 않은 단순한 공정으로, 경제적이다. 하지만 지금까지의 하이브리드 태양전지는 에너지 효율이 15% 수준에 정체되어 있다. 

연구팀은 130℃ 이하의 낮은 온도에서 간단한 공정만을 이용하여 에너지 효율이 17%를 상회하는 세계적인 수준의 고효율 태양전지 개발에 성공했다.

에너지 효율을 높이기 위해서 실리콘 표면을 계층적 구조(hierarchical structure, 주어진 구조위에 또다른 구조가 있는 형태로써, 입사하는 태양빛의 반사를 줄이면서도 접합면적을 20% 가량 증가시켜줌)로 만들어 태양빛의 반사를 감소시켰고, 유기 고분자 물질의 두께를 제어하여 전기에너지 손실을 막아냈다. 또한 각 물질 간 계면에서의 재결합 손실(recombination loss, 태양빛에 의해 발생된 전자와 정공(hole)이 재료간 계면에서 서로 결합하는 현상. 이는 우리가 얻어낼 수 있는 전기의 손실로 이어지므로 이를 최대한 방지해야 고효율 태양전지를 얻을 수 있다)을 줄이기 위하여 상온에서의 접촉인쇄 공정(contact printing, 잉크물질을 함유하고 있는 탄성체 스탬프를 기판에 단순히 접촉만 시켜 놓음으로써 잉크물질을 1 나노미터(nm) 이하의 두께로 프린팅하는 공정 기법)을 개발했다.  

강달영 교수는 “이 연구는 고가의 복잡한 공정을 전혀 적용하지 않고 저온에서 매우 간단한 공정만으로 실리콘-유기물 하이브리드 태양전지 효율을 끌어올린 것”이라며, “후속 연구를 통해 에너지 효율이 더 향상되고, 휘어지고 늘어나는 유연한 태양전지의 개발에 적용될 것으로 기대된다”라고 연구의 의의를 설명했다. 

[김들풀 기자  itnews@itnews.or.kr]