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Nikkei X-TECH_2022.12.28

페로브스카이트 탠덤 셀에서 세계 기록 잇따라
독일의 HZB, 변환효율 32.5% 달성

페로브스카이트 태양전지(PSC)와 실리콘계 태양전지, 혹은 2종류의 PSC를 사용하는 탠덤형 태양전지의 변환 효율이 최근 급격하게 성장하고 있다.

독일의 재료 및 에너지 관련 연구소인 HZB(Helmholtz-Zentrum Berlinfür Materialien und Energie(HZB)는 2022년 12월 19일, PSC와 실리콘계 태양전지로 구성된 ‘PSC-on-Si형’ 탠덤 셀에서 변환 효율 32.5%를 달성했다고 발표했다. 이것은 같은 유형의 태양전지 가운데 세계 최고 기록이다.

지금까지는 스위스의 연구소 CSEM(Swiss Center for Electronics and Microtechnology)과 스위스의 로잔 연방공과대학(EPFL)이 2022년 7월에 개발한 31.25%가 최고였다. 그 이전의 최고치는 HZB가 2021년 11월 개발한 탠덤 셀의 29.8%. CSEM/EPFL과 HZB는 이 유형의 태양전지 변환 효율 향상에서 각축전을 벌이고 있었던 것이다.

-- 2종류의 셀로 역할 분담 --
탠덤 셀은 태양광의 이용 효율을 극대화하기 위해 빛의 주된 이용 파장이 다른 두 종류의 태양전지를 겹쳐 사용하는 태양전지를 말한다. HZB가 이번에 개발한 것은 가시광에서 근적외선까지의 파장대로, 단파장 측을 PSC, 장파장 측을 실리콘계 태양전지가 각각 ‘담당’하도록 했다.

HZB에 의하면, 변환 효율 향상의 포인트는 PSC 조성의 최적화와 PSC 계면을 수식(修飾, 또는 패시베이션)해, 여기(勵起)된 캐리어의 재결합을 억제. 이를 통해 특히 셀의 개방전압(Voc)이 높아진 것에 있다.

-- 변환효율 30%이상의 태양전지가 손에 닿을 수 있는 가격으로 --
이번에 HZB가 달성한 32.5%라고 하는 변환 효율 자체는 III-V족이라고 불리는 갈륨비소(GaAs)계 화합물 반도체 베이스의 다접합 태양전지에서 이미 달성된 수치이다. 하지만, 이러한 GaAs계 태양전지는 제조 코스트가 실리콘계 태양전지의 수 십~수 백 배로 매우 높다.

이번 PSC-on-Si형 탠덤 셀의 경우, 양산 시 실리콘계 태양전지 대비 2배 이하의 제조 비용이면 될 가능성이 높다. 지금까지는 손에 닿기 어려운 '값비싼 꽃'이었던 변환 효율 30% 이상의 태양전지가 손에 닿을 수 있는 가격이 될 가능성이 보이고 있는 것이다.

-- 올(All) 페로브스카이트의 변환 효율도 27.1%로 --
또한 장파장 측의 태양전지에도 PSC를 사용하는 ‘올 페로브스카이트’ 탠덤 셀의 변환 효율이 치열한 개발 경쟁 속에서 급속히 향상되고 있다. 2020년 10월 기준으로는 중국의 난징(南京)대학이 개발한 셀의 24.2%가 최고치였다. 난징대학은 2021년 6월 시점에 24.9%, 2022년 1월 시점에는 26.4%로 연이어 세계 기록을 경신했다.

한편, 2022년 11월에 캐나다 토론토대학(University of Tornto)과 미국 노스웨스턴대학(Northwestern University) 등이 변환 효율 27.4%의 올 페로브스카이트 텐덤 셀을 개발했다고 학술지 네이처(Nature)에 발표했다. 그러나 27.4%는 자가 측정으로, 변환 효율의 인증기관인 미국 NREL(National Reenewable Energy Laboratory)의 측정에서는 26.3%에 그쳐 난징대학에 0.1% 포인트 뒤처졌다.

하지만, 이번에는 NREL의 연구팀이 2022년 12월 22일, 변환 효율이 27.1%인 올 페로브스카이트 탠덤 셀을 개발해 학술지 ‘사이언스(Science)’에 논문을 발표했다. 현 시점에서 올 페로브스카이트 탠덤 셀의 공인 데이터로는 이 27.1%가 세계 최고 기록이다.

-- 변환 효율 상승에 이어 가격 파괴에 나선다 --
올 페로브스카이트인 탠덤 셀은 양산 시 제조 원가가 실리콘계 태양전지보다 크게 낮아질 가능성이 높다. 우선은 PSC-on-Si형 탠덤 셀에서의 변환 효율 향상, 그 다음에는 올 페로브스카이트 탠덤 셀에서의 가격 파괴 등, 가까운 미래에 태양전지의 큰 브레이크스루(돌파구)가 연속적으로 올 수 있을 것으로 보인다.

-- 끝 --

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