국민대학교(총장 임홍재) 신소재공학부 이성민 교수 연구팀은 한국광기술원 김효진 박사, 고려대학교 이승우 교수 연구팀과 함께, 플렉시블 다중접합 화합물반도체 태양전지 발전 성능을 높이고 모듈 생산 가격을 낮출 수 있는 발광태양집광기(Luminescent Solar Concentrator)를 개발하였다.

태양전지는 태양광에너지를 이용가능한 전기에너지로 변환하는 친환경 신재생에너지 발전 소자로, 특히 다중접합 화합물반도체 소재로 제작된 태양전지는 매우 우수한 발전 효율과 더불어 높은 소재 안정성으로, 지상과 우주 모든 환경에서 가장 고성능의 태양전지 소자로 여겨지고 있다. 하지만 매우 높은 생산 비용으로 인해 다른 저가 반도체 소재의 태양전지에 비해 점차 상대적으로 주목받지 못하고 있었다.

이에 이성민 교수, 김효진 박사, 이승우 교수 공동 연구팀은, 단일접합 태양전지의 저가격화에 이용되던 양자점 기반 발광태양집광기를 다중접합 태양전지에도 유사한 성능을 낼 수 있도록 설계하였는데, 가격 경쟁력이 큰 단점이었던 다중접합 화합물반도체 태양전지에 적용하여 모듈 생산 가격을 크게 낮추는 데 성공하였다. 다중접합 서브셀들의 광전류를 균형있게 높일 수 있도록 양자점 발광 스펙트럼을 조절하고 태양전지 셀과 양자점의 배치를 최적화하여, 다중접합 태양전지가 가지고 있던 본래의 고성능은 유지하면서 발광태양집광기를 통한 광흡수 향상 효과를 유도하였다. 또한 저가격 유연 소재 공정기술과 전사인쇄를 통한 플렉시블 소자 구현 기술을 개발하여, 발전 성능과 가격 경쟁력을 높이면서 동시에 자유롭게 형태 변형이 가능한 고성능 플렉시블 다중접합 화합물반도체 태양전지 기술을 완성할 수 있었다.

본 연구를 주도한 이성민 교수는 “발광태양집광기 다양한 장점에도 불구하고 다중접합 태양전지와 같은 초고효율 태양전지 모듈에 적용 시에는 셀 출력을 방해할 수 있다는 문제로 해당 기술은 큰 관심을 받지 못했습니다”며 “이번 연구를 통해 다중접합 화합물반도체 태양전지의 발전 성능 개선과 저가격화에도 발광태양집광기를 충분히 활용할 수 있음을 처음으로 증명했으니 앞으로는 관련 기술들이 활발히 개발되길 기대한다”고 밝혔다.

해당 연구는 과학기술정보통신부와 산업통상자원부의 지원을 받아 수행하였으며, 연구 결과는 재료과학기술 분야 세계 저명 학술지인 Advanced Functional Materials(Impact Factor 19.9)에 2023년 2월 2일 게재호의 속표지(Inside Front Cover)로 선정되어 발표되었다. (논문명: Tailoring Luminescent Solar Concentrators for High-Performance Flexible Double-Junction III-V Photovoltaics)