연구내용
- 박막 태양전지의 핫 이슈는 초고율화를 통한 상업화의 가능성을 넓혀주는 것에 있으며 이러한 관점에서 이중접합형 태양전지는 이론적인 Shockley-Queisser 한계를 뛰어넘어 효율뿐만 아니라 안정성 확보까지 가능하게 함
- 광전기화학 물분해 시스템은 인가 에너지가 태양광이기 때문에 매우 낮은 비용이 요구되지만 상업화와 결부된 효율을 향상시키기 위해서는 외부 전원 공급이 현 시점에서는 필요함
- 태양전지의 효율을 개선함과 동시에 광전기화학 물분해 시스템의 효율과 신뢰성을 극대화하기 위해 각 요소별 연구가 진행이 되며, 이를 바탕으로 하부태양전지로 무기박막태양전지, 상부태양전지로 페로브스카이트 태양전지가 적용된 이중접합구조의 태양전지를 개발할 것임
- 광전기화학적 물분해 시스템 또한 요소 기술을 최적화하고 이를 바탕으로 텐덤 또는 이중접합형 소자 개발로의 연구가 진행될 예정임
- 본 연구소는 태양광 아래 전력 생산뿐만 아니라 잉여 전력을 광전기화학 에너지 생산 시스템에 사용하여 친환경·저비용·고효율의 태양광기반 융합형 에너지 생산 기술 개발을 최종 목표로 하여 연구 과제를 수행할 계획임
1) 이중접합 태양전지 개발
- 단일접합형 박막태양전지의 Shockley-Queisser 한계를 뛰어넘을 수 있는 이중접합 기반의 태양전지 개발을 본 연구에서 제안함
- 이중접합구조의 태양전지는 크게 상부 전지와 하부 전지로 구분될 수 있으며, 밴드갭 조절이 가능하고 저온공정이 가능한 페로브스카이트 태양전지를 상부 전지로 사용하고 하부전지로서 열적 안정성을 갖는 무기물 기반 태양전지를 제안함
- 상부 전지인 페로브스카이트의 경우 납을 함유하고 있어 환경적인 이슈를 지님에 따라 이를 대체할 수 있는 신규 물질 탐색이 필요하며 불안정한 대기 안정성을 극복할 수 있는 대안적인 구조 및 소자 개발이 필요함
- 또한, 신규 HTM/ETM 소재 합성 및 평가를 통해 추가적인 고효율화를 이루고자 함
- 하부 전지로서 열적 안정성과 더불어 높은 광전류를 생성할 수 있는 다차원계 무기물 칼코지나이드 물질 선정 및 태양전지 평가가 필요함
- Cu2ZnSnS4,SnS, Sb2Se3 등의 칼코지나이드 핵심 물질 선정을 통해 고효율화 기술 개발을 시도할 예정임
2) 광전기 화학적 에너지 생산 기술 개발
- 광전극의 박막의 결정성 확보를 위한 새로운 합성법 도입: 박막의 결정성이 광전하의 이동 및 속도에 밀접히 관련된 요인이고 효율 저하를 일으키는 주요한 장소이기 때문에 박막의 결정성 향상이 무엇보다 중요하지만 공정 자체의 조건 및 성장 환경에 예민하게 감응하는 요인이므로 최적화가 필요함
- 최적의 수소/산소 발생을 위한 물성 최적화: GaN의 광학적, 전기적, 화학적 안정성을 높이기 위한 다양한 시도들(도핑, 이중 접합 시도, 화합물 형성, surface plasmonic 현상 등)이 이루어질 것임
- 신물질을 계면 반응 제어: 광전기화학이 전극과 전해질 계면에서 이루어지는 반응이므로 계면 제어가 중요하고 여기서는 조촉매, 이종의 물질을 이용한 표면층 코팅, 가시광 흡수 매개체 등을 도입할 예정임
- 가시광 흡수 확장을 위한 이종 접합 구조 및 감응형 타입의 광전극 개발: 태양광 흡수 증대를 위해 가시광 흡수 확장이 필요하고 밴드갭이 낮은 소재를 이용한 이종 접합 또는 감응형 타입을 통한 효율 증대 도모