[서울=뉴스핌] 송주원 기자 = 중앙대학교는 에너지시스템공학부 강동원 교수팀이 대구경북과학기술원(DGIST) 고서진 교수팀과의 협업을 통해 세계 최고 수준의 광이용효율을 구현한 투명 태양전지를 개발했다고 25일 밝혔다.

중앙대에 따르면 이번에 개발한 소자는 가시광선은 투과시키고 자외선과 적외선 영역만 선택적으로 흡수하는 투명 페로브스카이트·유기 모노리틱 탠덤 태양전지다. 연구팀은 이를 통해 광이용효율(LUE) 6.04%를 달성했다. 평균가시광선투과율(AVT) 50% 이상인 투명 태양전지 가운데 광이용효율 6%를 넘긴 것은 이번이 처음이라고 학교 측은 설명했다.

기존 투명 태양전지는 투명도를 높이면 빛 흡수량이 줄어 효율이 떨어지고, 반대로 효율을 높이면 불투명해지는 한계가 있었다. 특히 실제 창호 적용을 위해 요구되는 평균가시광선투과율 50% 이상 조건에서는 발전 성능 확보가 쉽지 않아 도심형 태양광 확대의 걸림돌로 지적돼 왔다.

연구팀은 이 같은 한계를 극복하기 위해 자외선 흡수에 특화된 초광대역 밴드갭 페로브스카이트 상부전지와 근적외선 흡수에 강한 유기 하부전지를 수직으로 쌓은 모노리틱 하이브리드 탠덤 구조를 설계했다. 가시광선은 최대한 투과시키면서 사람의 눈에 보이지 않는 자외선과 근적외선 에너지를 나눠 수확하는 새로운 파장 선택형 광학 시스템을 구현한 것이다.

상부 전지에는 DMA 양이온과 할라이드 엔지니어링을 적용해 밴드갭을 2.34eV까지 넓히고 전압 손실을 줄였다. 하부 전지에는 삼원계 블렌드 전략을 도입해 근적외선 수확 효율과 전하 수송 특성을 함께 끌어올렸다. 이를 통해 투명도와 발전 성능 사이의 기존 상충 관계를 넘어서는 소자를 구현했다고 중앙대는 전했다.

이번 연구로 개발된 소자는 평균가시광선투과율 55.39%, 광변환효율(PCE) 10.91%, 광이용효율 6.04%를 기록했다. 개방전압(Voc)도 2.38V를 달성해 페로브스카이트·유기 및 페로브스카이트 기반 2중 접합 탠덤 시스템 가운데 최고 수준의 전압 특성을 확보했다.

강 교수는 "이번 성과는 투명 태양전지가 단순히 빛을 통과시키는 수준을 넘어 실제 건물 창호나 자동차 유리창에서 실용적인 전력을 생산할 수 있음을 보여준 사례"라며 "도심형 에너지 생산과 제로에너지빌딩 구현을 앞당길 수 있는 기반 기술이 될 것"이라고 말했다.

연구팀이 개발한 소자는 가시광선 영역에서 높은 투과 특성을 확보해 소자 뒤편 사물이 왜곡이나 흐림 없이 선명하게 보이도록 제작됐다. 이에 따라 건물일체형태양광(BIPV) 창호, 자동차 전면 유리, 미래 모빌리티, IT 기기 등 다양한 분야로의 확장 가능성도 기대된다.

이번 연구 성과는 재료 분야 권위지인 Advanced Materials에 지난 2월 17일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 '한우물파기 기초연구'와 '기초연구실지원사업' 지원을 받아 수행됐다.

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