한국연구재단(이사장 정민근)은 미래창조과학부 기초연구사업(개인연구), 기후변화대응기술개발사업, 신산업창조프로젝트 사업의 지원을 받은 이광희 교수 연구팀(광주과학기술원)이 전압을 높이고 가시광선에서부터 적외선까지 넓게 빛을 흡수할 수 있는 고효율의 신규 하이브리드 태양전지¹⁾를 개발했다고 밝혔다.  

1) 하이브리드 태양전지 : 유기물 광활성층과 유·무기 복합 페로브스카이트 광활성층이 하나의 소자 안에 함께 결합된 태양전지  

태양빛은 자외선(7%), 가시광선(44%), 적외선(48%)으로 구성되어 있다. 현재 미래 에너지원으로 각광 받고 있는 페로브스카이트 태양전지²⁾는 주로 가시광선 영역에서 에너지를 생성한다. 유기태양전지³)는 개방 전압이 낮고, 전하 이동도가 낮아 성능 향상에 제약이 있다.

2) 페로브스카이트 태양전지: 페로브스카이트 결정구조를 가지는 유·무기 복합 이온성 결정소재를 광활성층으로 이용한 태양전지. 현재 개발중인 차세대 태양전지 중 가장 성능이 우수하여, 각광 받는 미래 에너지원이다.  

3) 유기태양전지 : 반도체성 공액 고분자와 C60 유도체의 혼합으로 이루어진 광활성층을 갖는 태양전지. 저온 용액 공정이 가능하며, 가볍고 기계적 유연성을 갖추고 있어 차세대 태양전지로서 각광받고 있다.

연구팀은 이러한 기존 차세대 태양전지의 한계점을 극복하기 위하여 높은 개방전압⁴⁾을 갖는 페로브스카이트 광활성층과 적외선 흡광영역을 갖는 유기 고분자 광활성층⁵⁾을 중간 결합층 없이 쌓아 결합한 신규 하이브리드 소자를 개발하였다. 또한 유기 광활성층 내부에 높은 전하 이동도를 갖는 N형 고분자⁶⁾와 새로운 용매 첨가제를 함께 도입함으로써 하이브리드 소자의 성능을 최적화하였다. 그 결과, 학계에 보고된 페로브스카이트/유기태양전지 하이브리드 태양전지 중 가장 높은 16.4% 효율의 하이브리드 태양전지를 구현하였다. 

4) 개방전압 : 태양전지가 빛을 받아 발생시킬 수 있는 최대 전압값

5) 유기 고분자 광활성층 : 반도체성 공액 고분자와 C60 유도체의 혼합으로 이루어진 혼합체로 이루어져 있으며, 자외선, 가시광선, 근적외선에 이르는 넓은 흡광 영역을 가지고 있다.  

6) N형 고분자 : Polyera company에서 개발한 물질로서, 약 1 cm2/V·s 의 높은 전자 이동도 갖고 있는 공액 고분자

가시광선에서부터 적외선 영역에 이르는 넓은 태양광을 효과적으로 이용할 수 있게 개발됨으로써 하이브리드 태양전지가 차세대 박막형 태양전지의 효율 이론 한계치를 극복할 수 있는 새로운 방법을 제시할 수 있게 되었다.

이광희 교수는 “이번 연구 성과는 페로브스카이트와 유기 광활성층을 결합하여 높은 개방 전압과 넓은 흡광 영역을 동시에 갖는 태양전지 개발을 최초로 보고한 것이다. 미래사회 에너지난을 해결하기 위한 태양에너지 기술을 한 단계 앞당길 것으로 기대된다.”라고 연구의 의의를 설명했다.