광주과학기술원(총장 김기선, 지스트) 전기전자컴퓨터공학부 장재형 교수와 한국광기술원(원장 신용진) 정호중 박사 공동 연구팀이 가시광-적외선 태양광만을 사용하던 기존 CIGS 유연박막태양전지에 차세대 형광물질인 페로브스카이트를 적용하여 자외선-가시광-적외선 태양광을 모두 전기에너지로 변환할 수 있는 하이브리드 유연박막태양전지 기술 개발에 성공하였다.

CIGS 박막태양전지는 비 실리콘 태양전지 중에서도 에너지 변환효율이 가장 높으며, 가볍고 유연한 특성을 갖고 있어 차세대 태양전지로서 주목받고 있다. 차세대 형광 물질인 페로브스카이트는 금속과 할로겐족(불소, 염소, 브롬, 요오드)이 결합된 반도체 물질로, 자외선을 가시광으로 변환하는 발광특성을 갖고 있어 최근 LED, 디스플레이 및 태양전지의 광 소재로 널리 사용되고 있다.

CIGS 박막태양전지는 구리(Cu), 인듐(In), 갈륨(Ga), 셀레늄(Se)의 4원소로 구성된 화합물은 광흡수계수가 실리콘에 비해 10배 이상 크고, 화학적으로 안정적이며 내구성도 높다. 이를 광 흡수층으로 사용하면 태양전지 제조 시 적은 재료 소모와 간소화된 공정만으로도 높은 효율을 구현할 수 있다.

기존 CIGS 유연박막태양전지는 자외선 영역을 포함하는 짧은 파장대역 (300~390 나노미터)의 태양광이 태양전지 상부의 투명전극에서 흡수되어, 해당 파장대역의 태양에너지를 전기에너지로 변환하지 못하는 한계가 있다. 따라서 짧은 파장대역의 태양광을 효과적으로 활용할 수 있는 새로운 CIGS 유연박막태양전지 기술 개발이 요구된다.

투명전극은 가시광선영역의 빛을 투과하면서도 전기전도성을 가지는 기능성 박막전극으로 평판 디스플레이, 터치패널, 태양전지 등의 전극기판으로 널리 사용되고 있다.

지스트-한국광기술원 공동 연구팀은 자외선 영역의 빛을 흡수하여 가시광 대역의 빛을 발광하는 나노 결정의 CsPbBr3 페로브스카이트 고효율 형광체 개발에 성공하였으며, 이를 CIGS 태양전지의 투명전극 층 위에 적용하였다.

그 결과, 가시광 및 적외선 영역뿐만 아니라 자외선 영역까지 포함하는 광대역 태양광을 전기에너지로 변환할 수 있는 CIGS/페로브스카이트 하이브리드 유연박막태양전지를 개발하였다. 기존 CIGS 박막태양전지 상부에서 발생하는 자외선 대역의 손실을 해결하였을 뿐만 아니라, 페로브스카이트의 두께를 조절해 소자 표면에서의 반사를 최소화하여 효율을 극대화하도록 설계하였다.

장재형 교수는 “이번 연구성과를 통해 개발된 고효율 유연 태양전지는 건물일체형 태양전지, 전기자동차, 드론과 같은 다양한 분야에 응용 가능할 것”이라며 “기존 파장변환 형광체에 비해 제작 공정이 간단하며, 가격 경쟁력 및 광 변환 효율이 우수한 페로브스카이트 응용 연구는 차세대 하이브리드 태양전지 양산화에 큰 역할을 할 것으로 기대한다”고 말했다.

지스트 장재형 교수(교신저자)가 주도하고, 김예찬 박사과정 학생(공동1저자)과 한국광기술원 정호중 박사(공동1저자)가 수행한 이번 연구는 산업통상자원부(MOTIE)가 추진하는 한국에너지기술평가원(KETEP) 사업, 한국산업기술진흥원(KIAT)의 국제공동기술개발사업 및 한국전력(KEPCO)의 전력산업 기초연구 연구개발 사업 지원으로 수행되었으며, 관련 논문은 11월 28일 영국왕립학회가 발간하는 나노기술 분야 대표 국제 학술지인 나노스케일(Nanoscale)에 게재되었고, 표지논문으로 선정되었다.