KAIST 초고효율 페로브스카이트 태양전지 제작에 성큼 다가가

차세대 태양전지로 각광받고 있는 대표적인 물질인 페로브스카이트 태양전지는 최근 광전변환효율의 급격한 증가로 인해 실리콘 태양전지와 대등한 효율을 보이고 있다.

그러나 이를 넘어선 초고효율의 태양전지 제작을 위해서는 해결해야 할 문제들이 산재해있다:

광원에 노출된 상황에서 태양전지 재료의 성능은 소수 캐리어 정보와 관련된 물리적 특성에 크게 의존하지만 현재까지 태양전지가 구동되는 광원 조건에서 해당 특성을 분석할 수 있는 기술은 없다.

따라서 학계에서는 태양전지 소자 구동에 큰 영향을 끼치는 물성들의 정보를 모두 얻을 수 있는 분석시스템 구축이 필수적인 선결 문제점으로 여겨겨지고 있다.

이어한 상황에서 KAIST 신소재공학과 신병하 교수와 IBM 연구소의 오키 구나완 박사 공동 연구팀이 반도체 특성 분석의 핵심 기술인 홀 효과(Hall effect)의 한계를 넘을 수 있는 새로운 반도체 정보 분석 기술을 개발했다.

1879년 에드윈 홀(Edwin Hall)이 발견한 홀 효과는 물질의 전하 특성(유형, 밀도, 이동성 또는 속도)에 대한 중요한 정보를 제공하며, 반도체 소자를 이해하고 설계하는 데 필요한 특성들이다.

이러한 이유로 홀 효과는 지난 100년이 넘는 시간 동안 가장 일반적인 반도체 특성 분석 기법으로 사용되고 있으나 태양 전지와 같은 소자의 구동 원리 파악에 필수인 소수 운반체(Minority carrier) 정보는 얻을 수 없다는 한계를 가지고 있었다.

연구팀은 문제 해결을 위해 ‘포토 홀 효과(Carrier-Resolved Photo-Hall" (CRPH))’ 기술을 개발했다.

이 기술을 사용하면 한 번의 측정으로 다수 운반체 및 소수 운반체에 대한 많은 정보를 동시에 추출할 수 있다.

이 기술은 실제 작동 조건을 포함한 여러 광도에서 광여기 전하의 농도, 다수 운반체 및 소수 운반체의 전하 이동도, 재결합 수명, 확산 거리 등의 정보를 얻을 수 있다.

연구팀의 이 기술은 태양 전지, 발광 다이오드와 같은 광전자 소자 분야에서 사용 가능한 신소재 개발 및 최적화에 핵심적인 역할을 할 것으로 보인다.

신병하 교수는 “지난 2년간의 연구가 좋은 결심을 맺게 되어 기쁘고, 이 기술을 통해 새로운 광소자 물질의 전하 수송 특성을 이해하고 더 나은 소자를 개발하는 데 큰 도움이 되리라 믿는다”고 말했다.

신병하 교수와 오키 구나완 박사가 교신 저자로, 배성열 박사과정이 2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지‘네이처(Nature)’ 10월 7일 자 온라인판에, 11월 7일 정식 게재됐다. (논문명: Carrier-Resolved Photo Hall Effect)