'차세대 고효율 페로브스카이트-실리콘 이중접합 태양전지 기술 개발'

에너지/환경 분야 부문 선정

신병하(47·사진) KAIST 신소재공학과 교수가 ‘이달의 과학기술인상’ 5월 수상자가 됐다.

과학기술정보통신부가 주최하고 한국연구재단과 서울경제신문이 공동 주관하는 '이달의 과학기술인상'을 받은 신 교수는 실리콘과의 이종 접합에 최적화된 고효율·고안정성의 큰 밴드갭 페로브스카이트 태양전지를 개발하고 이를 바탕으로 초고효율 태양전지 구현 방향을 제시해 차세대 태양전지 개발에 기여했다는 평을 받는다.

이를 통해 세계 최고 수준의 광 변환 효율을 갖는 페로브스카이트 태양전지를 제작, 실리콘 태양전지와 결합한 탠덤 소자를 개발해 26.7%의 높은 광 변환 효율을 달성했다. 특히 첨가제의 음이온을 조절해 기존 큰 밴드갭의 취약점이었던 광 안정성을 1,000시간 연속 작동 후에도 초기 대비 80% 이상 유지하도록 높였다.

우리 대학 신소재공학과 신병하 교수가 '2020년 올해의 KAIST인'에 선정됐다.

'올해의 KAIST인 상'은 한 해 동안 국내·외에서 KAIST 발전을 위해 노력하고 학술 및 연구 실적이 탁월한 인물에게 수여하는 상으로 지난 2001년에 처음 제정됐다. 

20번째 수상의 영예를 거머쥔 신병하 교수는 2020년 한 해 동안 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질의 안정화 및 고효율화하는 기술을 개발함과 동시에, 이를 실리콘 태양전지와 적층해 26.7%의 고효율 탠덤 태양전지를 개발하였으며 해당 연구 성과를 Science 본지에 출간하는 등 KAIST를 대표할 수 있는 탁월한 학술·연구 업적을 통해 기관의 위상을 크게 높였다는 평가를 받았다. 

신병하 교수는 "올해의 카이스트인 상을 받게 되어 영광이고, 이는 KAIST라는 좋은 연구 환경에서 훌륭한 학생들의 노력 덕분이라고 생각한다. 앞으로도 좋은 연구 결과를 통해 카이스트를 더 빛낼 수 있도록 더욱 노력하겠다.”라고 소감을 밝혔다.

KAIST(총장 신성철) 신병하 교수 연구팀 주도의 공동 연구팀(서울대 김진영 교수, 세종대 김동회 교수, 미국 국립재생에너지 연구소 Kai Zhu 박사, 노스웨스턴 대학 정희준 박사)이 큰 밴드갭의 페로스카이트 물질을 개발하고 이를 적용해 26.7%의 광 변환 효율을 갖는 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤(tandem) 태양전지를 구현했다.

이번 연구는 과거 불안정하다고 알려진 큰 밴드갭 유무기 하이브리드 페로브스카이트 물질(Organic-Inoraganic Hybrid Perovskite)의 안정화 및 고효율화하는 기술을 개발함과 동시에 이를 실리콘 태양전지와 적층해 고효율 탠덤 태양전지를 개발했다는 점에서 향후 30% 이상의 초고효율 태양전지 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 광변환 효율 특성

신 교수가 교신저자로, 김대한 박사과정이 1 저자로 참여한 이번 연구결과는 국제 학술지 ‘사이언스(Science)’ 지난 26일 자 온라인판에 게재됐다.(논문명: Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion-engineered wide bandgap perovskites)

홀 효과는 지난 100년이 넘는 시간 동안 가장 일반적인 반도체 특성 분석 기법의 하나며 전 세계의 반도체 연구 기관에서 보편적으로 사용되고 있다. 그러나 현재까지의 분석 기법으로는 홀 효과를 통해 다수 운반체(Majority carrier)와 관련한 특성만 파악할 수 있고, 태양 전지와 같은 소자의 구동 원리 파악에 필수인 소수 운반체 (Minority carrier) 정보는 얻을 수 없다는 한계를 가지고 있었다. 

본 연구에서는 "Carrier-Resolved Photo-Hall" (CRPH) (포토 홀) 기술을 개발했다. 기존 홀 측정에서는 세 가지 정보를 얻을 수 있었다면 연구팀의 새로운 기술은 실제 작동 조건을 포함한 여러 광도에서 광여기 전하의 농도, 다수 운반체 및 소수 운반체의 전하 이동도, 재결합 수명, 확산 거리 등 최대 일곱 개의 중요한 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 기대된다. 

KAIST는 신소재공학과 신병하 교수와 IBM 연구소의 오키 구나완(Oki Gunawan) 박사 공동 연구팀이 반도체 특성 분석의 핵심 기술인 홀 효과(Hall effect)의 한계를 넘을 수 있는 새로운 반도체 정보 분석 기술을 개발했다고 14일 밝혔다. 

이번 연구는 140년전에 처음 발견된 이래로 반도체 연구 및 재료 분석의 토대가 된 홀 효과 측정에 대한 새로운 발견으로 향후 반도체 기술 개발에 이바지할 수 있을 것으로 기대된다.

신병하 교수와 오키 구나완 박사가 교신 저자로, 배성열 박사과정이 2 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처(Nature)’ 10월 7일자 온라인판에 게재됐고 11월 7일 정식 게재됐다.