중앙대학교 연구진이 가시광선은 통과시키고 자외선·적외선만 선택적으로 흡수하는 투명 탠덤 태양전지를 개발해 건물 창호나 자동차 유리창에서도 전력을 생산할 수 있는 기반을 마련했다.

중앙대학교는 강동원 에너지시스템공학부 교수팀이 대구경북과학기술원(DGIST) 고서진 교수팀과 협업해 투명 페로브스카이트·유기 모노리틱 탠덤 태양전지를 개발하고, 세계 최고 수준의 광이용효율(LUE) 6.04%를 달성했다고 25일 밝혔다. 평균가시광투과율(AVT) 50% 이상인 투명 태양전지 가운데 LUE 6%를 넘긴 것은 처음이다.

기존 투명 태양전지는 투명도를 높이면 빛 흡수량이 줄어 효율이 낮아지고, 반대로 효율을 높이면 불투명해지는 한계가 있었다. 특히 창호 적용에 필요한 평균가시광투과율 50% 이상 조건에서는 실용적인 발전 성능 확보가 쉽지 않았다는 게 연구팀 설명이다.

연구팀은 이를 해결하기 위해 자외선 흡수에 특화된 초광대역 밴드갭 페로브스카이트 상부전지와 근적외선 흡수에 강한 유기 하부전지를 수직으로 쌓은 모노리틱 하이브리드 탠덤 구조를 설계했다. 가시광선은 최대한 통과시키면서 사람 눈에 보이지 않는 자외선과 근적외선 에너지를 나눠 흡수하는 방식이다.

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 높였다.

개발된 소자는 평균가시광투과율 55.39%, 광변환효율(PCE) 10.91%, 광이용효율 6.04%를 기록했다. 개방전압(Voc)은 2.38V로, 페로브스카이트·유기 및 페로브스카이트 기반 2중 접합 탠덤 시스템 가운데 최고 수준의 전압 특성을 확보했다고 중앙대는 설명했다.

연구팀은 이번 소자가 가시광선 영역에서 높은 투과 특성을 보여 소자 뒤편 사물이 왜곡이나 흐림 없이 보이도록 제작했다. 이에 따라 건물일체형태양광(BIPV) 창호, 자동차 전면 유리, 미래 모빌리티, IT 기기 등 다양한 분야에 적용 가능성이 있다는 게 연구진 설명이다.

강동원 교수는 "이번 성과는 투명 태양전지가 실제 건물 창호나 자동차 유리창에서 실용적인 전력을 생산할 수 있음을 보여준 사례"라고 말했다.

이번 연구 성과는 재료 분야 학술지 어드밴스드 머티리얼스(Advanced Materials)에 2월 17일 게재됐다. 연구는 과학기술정보통신부 한국연구재단의 '한우물파기 기초연구'와 '기초연구실지원사업' 지원을 받아 수행됐다.