싱가포르 국립대학교 연구팀은 26.4cm² 활성 면적 내에서 1%의 전력 변환 효율(PCE)을 달성하는 새로운 페로브스카이트-유기 탠덤 태양 전지를 개발하여 이러한 소자 분야에서 새로운 세계 기록을 세웠습니다. 이 연구 결과는 네이처(Nature) 최신 호에 게재되었습니다.

연구팀은 새롭게 개발된 탠덤 셀이 초박형과 유연성을 결합하여 드론, 스마트 섬유, 웨어러블 기기 등 AI 기반 장비에 직접 통합하여 깨끗한 에너지를 제공할 수 있다고 강조했습니다.

획기적인 혁신: 협대역 밴드갭 유기 흡수제

이러한 발전의 핵심에는 연구팀이 개발한 선구적인 협대역 밴드갭 유기 흡수체가 있습니다. 정밀 "광자 트랩" 역할을 하는 이 흡수체는 근적외선(NIR) 영역의 광자를 효율적으로 포집하여 박막 탠덤 태양 전지 개발의 오랜 기술적 난제를 성공적으로 극복했습니다.

페로브스카이트와 유기 반도체 소재의 조정 가능한 밴드갭은 이론적인 효율 한계를 뛰어넘을 수 있는 잠재력을 제공하지만, 낮은 NIR 흡수율은 지속적으로 진전을 방해해 왔습니다.

혁신적인 분자 설계

이러한 과제를 해결하기 위해 연구팀은 비대칭 유기 수용체를 개발했습니다. 이 구조는 심근적외선 영역까지 광 흡수 범위를 확장할 뿐만 아니라, 고도로 정렬된 분자 배열을 가능하게 하면서 충분한 전하 분리 구동력을 유지합니다. 초고속 분광법과 소자 물리 분석을 통해 연구팀은 이 설계가 에너지 손실을 최소화하면서 효율적인 전하 수집을 달성함을 확인했습니다.

장치 통합 및 성능

실제로 연구진은 이 고성능 유기 서브셀을 상부 페로브스카이트 셀과 적층하고, 투명 전도성 산화물 중간층을 통해 두 셀을 통합했습니다. 주요 결과는 다음과 같습니다.

● 27.5cm0.05 마이크로 디바이스의 경우 2% PCE

● 표준 26.7cm1 장치의 경우 2% PCE

● 26.4cm1 셀에 대해 독립적으로 인증된 효율성은 2%입니다.

이번 성과는 페로브스카이트-유기물 탠덤 기록을 깨뜨렸을 뿐만 아니라, 동일 크기의 페로브스카이트-CIGS 및 단일 접합 페로브스카이트 전지의 성능보다 뛰어납니다.