▲ 페로브스카이트/유기 하이브리드 소자 구조와 다이폴 계면층(DILs)을 통한 전자구조 개선 및 전하 전달 능력 향상 메커니즘. 제시된 다이폴 계면층은 강력한 계면 다이폴을 형성하여 페로브스카이트와 유기 벌크 이종접합(BHJ) 사이의 에너지 장벽을 효과적으로 줄이고, 홀 축적을 억제하는 역할을 한다. 이 기술은 근적외선 광자 수확 및 전하 전달을 향상시키며, 그 결과 태양전지의 전력 변환 효율을 24.0%까지 끌어올렸다. 더불어, 극한의 습도 환경에서도 1,200시간 동안 성능을 유지하는 뛰어난 안정성을 달성했다.(그림 및 설명=KAIST)  © 특허뉴스

KAIST 전기전자공학부 이정용 교수 연구팀과 연세대학교 김우재 교수 연구팀이 협력하여 기존 페로브스카이트 태양전지의 한계를 극복한 근적외선 포집 고효율 하이브리드 태양전지 기술을 개발했다. 이 혁신적 연구는 기존 태양전지가 활용하지 못했던 태양 에너지의 52%에 해당하는 근적외선 영역을 흡수할 수 있어, 차세대 태양전지의 상용화 가능성을 크게 높이며 글로벌 시장에서의 경쟁력을 강화할 수 있을 것으로 기대된다.

기존 납 기반 페로브스카이트 태양전지는 850nm 이하의 가시광선 영역에서만 빛을 흡수해 전체 태양 에너지의 약 52%를 활용하지 못한다는 문제가 있었다. 연구팀은 이 한계를 극복하기 위해 페로브스카이트와 유기 반도체를 결합한 하이브리드 소자 구조를 통해 근적외선 영역까지 흡수 범위를 확장했다.

이들은 전자 구조의 에너지 불일치 문제를 해결하고자 소자 내부에 다이폴 층을 도입, 에너지 장벽을 완화하고 전하 축적을 억제함으로써 효율을 극대화했다. 특히, 다이폴 계면 층은 전하 수송을 원활하게 하여 전류 밀도(JSC)를 4.9 mA/cm²로 크게 향상시키는 데 기여했다.

연구팀은 이번 연구를 통해 하이브리드 소자의 전력 변환 효율(PCE)을 기존 20.4%에서 24.0%로 크게 높였다. 이 성과는 근적외선 영역에서 78%에 달하는 높은 내부 양자 효율(IQE)을 기록하며, 기존 기술 대비 획기적인 발전을 이뤘다.

또한, 이번 하이브리드 태양전지는 고온 및 고습 환경에서도 800시간 동안 초기 효율의 80% 이상을 유지해 높은 안정성을 입증했다. 이러한 안정성은 태양전지가 극한 환경에서도 장기간 사용 가능함을 보여주어, 차세대 태양전지 상용화의 가능성을 뒷받침한다.

이정용 교수는 “이번 연구로 전하 축적과 에너지 밴드 불일치 문제를 해결하고, 근적외선 광 포집 성능을 극대화함으로써 기존 페로브스카이트 태양전지의 광학적 한계를 넘어서는 중요한 돌파구를 마련했다”고 밝혔다. 이를 통해 태양전지의 전력 변환 효율을 크게 향상시키고 다양한 응용 분야로 확장 가능성을 높였다.

이번 연구는 KAIST 전기전자공학부 이민호 박사과정과 김민석 석사과정이 공동 제1저자로 참여한 성과로, 국제 학술지 ‘어드밴스트 머티리얼스(Advanced Materials)’에 9월 30일 온라인판으로 게재되며 학계의 주목을 받고 있다.

논문명은 Suppressing Hole Accumulation Through Sub-Nanometer Dipole Interfaces in Hybrid Perovskite/Organic Solar Cells for Boosting Near-Infrared Photon Harvesting 이다.