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실리콘으로 만들어진 현재의 태양전지는 단점을 지님. 이런 한계를 극복할 수 있도록 금속 등을 이용해 만든 차세대 무기물 태양전지의 성능을 크게 개선한 기술이 개발됐음.

광주과학기술원(GIST)은 이동선 전기전자컴퓨터공학부 교수와 정우림, 김경필 연구원팀이 무기물 기반 차세대 태양전지의 충전율을 크게 향상시켜 성능을 높인 차세대 박막 태양전지를 개발했다고 8일 밝혔음. 연구팀은 전기 입자(전하)를 수송하는 원리도 밝혀 향후 태양전지의 성능을 추가로 높일 가능성도 제시했음.

태양전지는 태양광을 흡수해 전기에너지를 발생시키는 장치임. 현재 실리콘을 이용한 제품이 상용화돼 널리 쓰이고 있고, 박막, 유기물 등을 소재로 한 태양전지 연구가 활발함.

이 가운데 단결정 실리콘 태양전지는 성능은 높지만 두께가 두꺼워 휘어지는 전자기기 등에 사용되지 못하는 단점이 있음. 박막 태양전지는 얇은 게 장점이지만 인듐이나 갈륨 등이 비싸 상용화에 불리함. 유기물 태양전지는 인쇄기술을 이용할 수 있어 저가로 대량생산할 수 있는 게 장점이지만 수명이 짧고 안정성이 떨어짐.

연구팀은 구리와 아연, 주석, 황, 셀레늄을 이용한 새로운 무기물 태양전지에 주목했음. 휘어지는 몰리브덴 기판에 나트륨을 섞은 구리와 아연, 주석, 황, 셀레늄 태양전지층을 올리고 그 위에 투명전극과 알루미늄 전극을 올린 구조임.

이 태양전지는 지구에 풍부해 값이 싼 원소를 쓰고 두께가 얇아 휘는 전자소자에 활용이 가능함. 어른 엄지손가락에 붙여도 될 정도로 휘어짐. 열과 수분에 영향을 받지 않아 내구성도 높음. 이 교수는 여기에 나트륨을 섞는 방법(도핑)으로 충전율과 성능을 크게 높이는 새로운 기술을 개발했음. 기존에는 충전율이 50%에 불과했지만, 이 교수팀의 기술을 도입하자 62.6%까지 향상됐음.

연구팀은 또 이 때 발생하는 전기입자(전하)의 수송 원리도 구체적으로 밝혔음. 결정의 가장자리에 전하가 많이 이동하며, 나트륨을 적절히 섞으면 이렇게 전하가 이동, 흡수되는 성능이 최적화돼 충전율과 성능이 높아지는 것으로 나타났음.

이 교수는 “차세대 태양전지의 전하수송 원리를 규명하여 성능을 크게 개선하고 기존 상용 태양전지의 단점을 극복할 수 있는 해결책을 제시했다”며 “건물일체형 태양전지나 자동차 솔라루프, 휘어지는 전자기기 등 다방면에 활용할 수 있도록 후속 연구를 할 계획”이라고 말했음.

본 연구 성과는 ‘Advanced Science’ 지에 게재됨.