군산대학교 전기공학과 김준동 교수팀이 주기적 패턴(Periodic pattern) 구조물을 이용, 세계 최고 효율을 가진 규칙적 입체구조 태양전지 개발에 성공했다.

이번에 개발된 주기적(Periodic) 입체구조 태양전지는 군산대 김준동 교수팀이 이화여대 김동욱 교수팀, 뉴욕주립 버팔로대학교 윤주형 박사팀, 성균관대 이준신 교수팀 등과 다제간 협업을 통해 이뤄낸 성과다.

현재의 상용화 태양전지는 비주기적(Non-periodic) 구조를 이용하고 있으나, 이론적으로는 주기적 입체구조가 입사광의 이용경로를 획기적으로 증대시킬 수 있다. 이는 태양전지의 효율을 향상시키고 궁극적으로 얇은 빛 흡수층을 통한 비용저감의 장점을 가진다.

이러한 이론적 예측에도 불구하고, 현재까지 주기적 구조의 태양전지는 10% 초반대의 상대적으로 낮은 효율을 보였는데, 이는 제작공정에서 발생하는 결함과 구조물에서의 설계적인 제약 때문이었다.

이번 연구에서는 태양전지에 생기는 공핍층(Depletion region, 강한 전계 존재 구간)을 입체구조물에 효과적으로 위치시켜, 입사광에 의해 발생하는 캐리어(Carriers)를 효율적으로 포집할 수 있는 대면적 공정기술을 이용해, 주기적 구조물 태양전지의 세계 최고효율인 16.2 % 효율을 달성했다.

연구책임자인 김준동 교수는 “현재 세계적인 선두 그룹에서 발표한 주기적 구조물 태양전지의 효율이 10% 내·외인 것을 감안하면 그보다 훨씬 앞선 결과”라며 “본 기술은 상용화 적용을 목표로 개발 중이며, 기존 선점된 외국기술을 뛰어넘는 국내 고유의 태양전지 기술을 확보하는 동시에 중국의 저가격 공세를 돌파할 수 있는 근간이 될 것”이라고 밝혔다.

입사광 분포 시뮬레이션 연구를 담당한 김동욱 이화여대 교수는 “이번 기술은 주기적 패턴에서 빛을 더 효율적으로 이용할 수 있는 태양전지 구조로, 이론한계치에 접근할 수 있는 가능성을 보인 상당히 도전적인 결과”라고 밝혔다.

이번의 주기적 입체구조 태양전지 기술은 향후 고효율 태양전지에의 적용뿐 아니라, LED, 디스플레이, 조명기기 등의 광전소자 분야에 광전소자 분야에 폭넓게 이용될 기반기술이 될 것으로 예측되며 현재 국내·외 특허가 진행 중이다.

현재 김준동 교수팀과 김동욱 교수팀은 본 기술을 활용한 고성능 태양전지 효율향상의 연속연구를 통해, 상용화에 적용할 수 있는 대면적·고효율 태양전지 특화기술 개발을 위해 매진하고 있다.

한편 이번 연구결과는 미국의 유명 학술저널 ‘Applied Physics Letters’ 5월호에 발표됐다.