유니버시티 칼리지 런던(UCL) 재료발견 연구팀이 실내 조명만으로 37.6%라는 놀라운 실내 광전 변환 효율(iPCE)을 달성한 태양전지 기술을 개발 사실을 공개했습니다. (iPCE는 실내 조명 에너지를 전기로 변환하는 효율을 의미합니다.) 이 기술은 IoT(사물인터넷) 기기, 스마트홈 센서, 웨어러블 기기 등 실내 환경에서 작동하는 전자기기에 실내 조명만으로 전력을 공급할 수 있는 가능성을 기대하게 합니다.
1. 실내 태양전지란 무엇인가?
태양전지의 기본 원리
태양전지는 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 빛이 반도체 재료(예: 실리콘, 페로브스카이트)에 닿으면 전자가 움직여 전류를 생성하는 광전 효과(Photoelectric Effect)를 이용합니다. 이는 마치 햇빛이 물레방아를 돌려 전기를 만드는 것과 비슷합니다. 기존 태양전지는 주로 햇빛(조도 약 100,000럭스)을 활용했지만, 실내 조명(100~1,000럭스)은 훨씬 약해 효율이 떨어집니다. 따라서 실내 환경에 맞춘 특수 설계가 필요합니다.
UCL의 혁신: 37.6% 효율의 실내 태양전지
UCL 연구팀은 1.75eV 광밴드갭을 가진 광대역갭 페로브스카이트 태양전지(WB-PSC)에 삼중 패시베이션 처리(TPT)를 적용해 실내 조명에서 놀라운 성과를 달성했습니다. TPT는 RbCl, DMOAI, PEACl이라는 세 가지 물질을 사용해 결함을 줄이고, 태양전지의 표면 특성을 n형에서 p형으로 전환해 효율을 극대화합니다. 결과적으로, 1000럭스 조명 아래에서 37.6%의 실내 광전 변환 효율(iPCE)을 기록했으며, 이는 실내 태양전지 분야에서 최고 수준입니다.
2. TPT 기술: 개발 과정과 세부사항
삼중 패시베이션의 비밀
TPT는 세 가지 패시베이터(RbCl, N,N-디메틸옥틸암모늄 아이오다이드(DMOAI), 페닐에틸암모늄 클로라이드(PEACl))를 조합해 태양전지의 결함을 체계적으로 제거합니다.
RbCl: 페로브스카이트 결정의 균일한 성장을 촉진하고, 격자 변형을 완화해 에너지 장벽을 낮춥니다. 이는 마치 건물 기초를 튼튼히 다지는 역할을 합니다.
DMOAI: 내부 결함을 억제하고 전하 이동성을 높여, 전기가 새는 "틈"을 막아줍니다.
PEACl: 표면 결함을 줄이고, 광 유도 할로겐 분리(phase segregation)를 방지해 안정성을 강화합니다.
이 과정에서 광발광 양자 수율(PLQY)이 0.5%에서 2.1%로 4배 증가했으며, 전하 추출 효율이 크게 개선되었습니다. 이는 태양전지를 "고성능 엔진"처럼 정교하게 튜닝한 결과입니다.
실험 과정
연구팀은 FA0.64MA0.36Pb(I0.64Br0.36)3라는 페로브스카이트 조성을 사용해 480nm 두께의 균일한 필름을 제작했습니다. 실험은 다음과 같이 진행되었습니다.
기판 준비: FTO(불소 도핑 산화주석) 유리 기판 위에 SnO2 전자 이동층을 코팅.
RbCl 코팅: SnO2 위에 RbCl 용액을 스핀 코팅해 결함을 줄임.
페로브스카이트 형성: 1.4M 농도의 전구체 용액을 사용해 필름을 형성.
DMOAI 및 PEACl 적용: DMOAI를 전구체에 혼합하고, PEACl을 최종 코팅으로 추가.
성능 평가: 1000럭스 LED 조명과 AM 1.5 태양광 조건에서 효율 측정.
X선 회절(XRD) 분석 결과, TPT 적용 후 (110), (220), (310) 회절 피크 강도가 각각 2.18배, 2.02배 증가하며 결정 품질이 향상되었습니다. UV-가시 흡수 스펙트럼에서는 708nm 근처에서 흡수 피크가 관찰되었고, Tauc 플롯으로 계산된 광밴드갭은 약 1.75eV로 확인되었습니다.
3. 성능 데이터와 비교 분석
효율 및 안정성
실내 효율: 1000럭스에서 iPCE 37.6%, 기존 최고 기록(44.72%)에 비해 약간 낮지만, 1.75eV 광밴드갭에서는 최고 수준.
햇빛 조건: AM 1.5에서 PCE 20.1%, 채움 인자(FF) 78.5%로 우수.
안정성: 3200시간 동안 92% 성능 유지, 55°C에서 300시간 연속 광조사 후 76% 유지.
비교 대상:
Li et al. (1.54eV, iPCE 42.1%, 1000럭스).
Wang et al. (1.70eV, iPCE 41.2%, 1062럭스). UCL의 TPT는 광밴드갭이 넓은 조건에서 안정성과 효율의 균형을 잘 맞췄습니다.
과학적 분석
광발광 스펙트럼(PL) 분석에서 TPT 적용 후 피크 강도가 3.6배 증가했으며, 718nm(1.73eV)에서 관찰되었습니다. 이는 결함 감소와 n형에서 p형으로의 전이(페르미 준위 500meV 이동)를 반영합니다. 시간-의존성 PL과 온도-의존성 PL로 할로겐 분리 억제가 확인되었으며, 이는 장기 안정성에 기여합니다.
4. 실내 태양전지의 응용 가능성
1) 스마트홈과 IoT 장치
스마트 온도계, 조명 센서, 보안 카메라가 1000럭스 조명 아래에서 TPT 태양전지로 작동할 수 있습니다. 2030년까지 500억 개 IoT 기기의 전력 수요를 충족할 잠재력이 있습니다. (ex. 사무실 LED 조명 아래 설치된 센서가 배터리 없이 24시간 작동.)
2) 웨어러블 기기
스마트워치, 피트니스 트래커, 의료 센서가 실내 조명으로 충전됩니다. (ex. 병원 조명 아래에서 환자 맥박을 모니터링하는 웨어러블 기기가 배터리 교체 없이 사용 가능.)
3) 지속 가능한 건물
창문, 벽, 가구에 통합된 TPT 태양전지가 실내 조명을 활용해 전력을 생산하면, 건물 에너지 소비를 10~20% 줄일 수 있습니다. (ex. 사무실 천장 LED로 건물 내 센서를 가동.)
4) 환경 모니터링
공기질 센서, 습도 센서가 실내 조명으로 작동하며, 배터리 교체 비용을 절감하고 폐기물을 줄입니다. (ex. 공장 내 환경 모니터링 시스템의 지속 가능성 강화.)
5) 교육 및 공공 시설
교실, 도서관의 조명을 활용해 스마트 블랙보드나 디지털 기기를 작동시키는 사례가 가능합니다. 이는 에너지 비용을 낮추고 학습 환경을 개선할 수 있습니다.
5. 장점과 한계
장점
높은 효율: 37.6% iPCE로 실내 최적화.
뛰어난 안정성: 3200시간 92%, 300시간 76% 유지.
친환경: 배터리 의존도 감소, 탄소 배출 저감.
유연성: 480nm 필름으로 다양한 표면 적용 가능.
한계
상용화 준비: 대규모 생산을 위한 공정 최적화 필요.
환경 민감성: 습기(상대습도 50% 이상)와 고온(60°C 이상)에서 추가 보호 필요.
비용: RbCl, DMOAI, PEACl의 대량 생산 비용이 현재 높은 편.
연구팀은 습기 저항성을 높이기 위해 보호 코팅(예: 폴리머 필름)을 개발 중이며, 2026년까지 상용화 시험을 계획하고 있습니다.
6. 미래 전망과 기술 개발
IoT와의 통합
2030년까지 500억 개 IoT 기기가 전력 공급을 필요로 하며, TPT 기술은 배터리 교체 대신 지속 가능한 에너지원을 제공할 것입니다.
탄소 중립 기여
유럽연합의 2050년 탄소 중립 목표에 부합하며, 건물 에너지 소비를 줄이는 데 기여할 수 있습니다. TPT를 활용한 건물 통합 태양전지는 연간 5% 이상의 에너지 절감을 목표로 합니다.
우주 및 특수 환경
우주 정거장이나 잠수함 내 조명을 활용한 전력 공급이 가능합니다. (ex. 국제우주정거장(ISS) 내 센서가 TPT 태양전지로 작동해 유지비용 절감.)
기술 개선 방향
효율 향상: 1.9eV 광밴드갭으로 확장해 이론적 한계(60%) 도달 시도.
내구성 강화: 습기 저항성 코팅과 열 안정성 재료 개발.
비용 절감: 대량 생산 공정 최적화로 원가 20% 감소 목표.
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