태양전지는 햇빛이 있으면 어디에서나 전기를 만들어낼 수 있어 가정용부터 산업용에 이르기까지 광범위하게 활용되며 우리에게 친숙한 친환경 발전방식 중 하나다. 주된 태양전지는 실리콘 태양전지지만, 이보다 좋은 효율의 태양전지 소재를 찾기 위한 연구가 활발하다. 그중에서도 서로 다른 태양전지를 결합해 만드는 탠덤(tandem) 태양전지는 다른 영역의 빛을 더 많이 흡수시켜 높은 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대를 모아왔다.

POSTECH 화학공학과 박태호 교수, 박사과정 김홍일씨 연구팀은 토론토대(University of Toronto) 연구팀과 공동연구를 통해 콜로이드 양자점(colloidal quantum dot, CQD)과 유기 분자를 결합해 모놀리식*1 통합 하이브리드 탠덤 태양전지(Monolithically integrated hybrid tandem solar cells, TSC)를 합성하는 데 성공했다. 양자점을 이용해 기존 탠덤 태양전지의 효율을 뛰어넘는 효율을 보인 이 성과는 재료 분야의 권위지인 ‘어드밴스드 머터리얼스(Advanced Materials)’에 최근 게재됐다.

탠덤 태양전지는 빛을 흡수하는 파장의 영역이 다른 두 개 이상의 태양전지용 반도체를 쌓아올려 만든다. 탠덤 태양전지는 가시광선 영역에서 더 많은 빛을 흡수할 수 있는 소자지만 유기물과 접합한 기존 탠덤 태양전지는 아직 단일 태양전지의 성능에는 미치지 못하였다.

연구팀은 전지가 흡수하는 태양광 영역을 자유롭게 바꿀 수 있는 양자점에 주목했다. 양자점은 반도체를 아주 작게 만든 물질로, 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 cm-2로 크게 향상됐다. 또 개별 단일 접합 전지보다 높은 13.7 %의 전력 변환 효율(PCE)을 보여 기존 텐덤 태양전지가 가지고 있던 한계를 뛰어넘는 높은 효율을 나타냈다.

한편, 이 연구는 한국연구재단의 지원을 받아 수행됐다.