【브레이크뉴스 대구】이성현 기자=DGIST(대구경북과학기술원) 에너지공학과 최종민 교수 연구팀이 UNIST(울산과학기술원) 연구진과 함께 태양전지의 전력 변환 효율(PCE)을 기존 대비 크게 향상시킬 수 있는 기술을 개발했다. 

▲ 관련사진. 연구진의 연구 결과는 국제 학술지 'Advanced Energy Materials'의 Back Cover로 선정됐다  © DGIST

연구팀은 새로운 기술을 통해 태양전지 효율을 8.26%까지 끌어올렸으며, 이를 통해 차세대 친환경 태양전지 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.

이번 연구에서 핵심적인 소재는 황화은비스무트(AgBiS2) 나노결정이다. 이 소재는 기존의 고효율 태양전지가 납이나 카드뮴 등 유해 중금속을 포함해 환경에 해로운 문제를 일으키는 것에 비해, 유독성이 없고 원료가 풍부하여 환경 친화적인 장점이 있다. 그러나 기존의 문제점은 일정 두께 이상으로 제조하면 전기가 잘 흐르지 않아 효율이 급격히 떨어진다는 한계가 있었다.

연구진은 이를 해결하기 위해 전기가 더 잘 흐를 수 있도록 특수한 혼합 구조의 박막을 개발했다. 연구팀은 황화은비스무스 나노결정에 화학 처리를 가하여, 한 층에서 서로 다른 성질을 가진 기증자와 수용자가 함께 존재하도록 만들었으며, 이를 통해 전기의 흐름을 효율적으로 만들었다. 

그 결과, 두꺼운 65nm(나노미터) 빛 흡수층을 만들어도 성능이 유지되었으며, 태양전지의 효율은 8.26%로 향상되었다. 이는 스마트폰을 4~5번 충전하거나, LED 전구를 2시간 이상 더 켤 수 있는 양에 해당한다.

최종민 DGIST 교수는 “이번 연구는 AgBiS2 태양전지의 같은 층에서 기증자와 수용자가 함께 존재하게 함으로써 전하 확산 길이를 대폭 늘려 두꺼운 층에서도 성능이 유지되도록 했다”며, “향후 이 기술이 다양한 고효율 태양전지에 적용되어, 친환경 에너지 발전에 기여할 수 있기를 기대한다”고 말했다.

이번 연구는 DGIST 에너지공학과 김해정, 박진영 교수와 UNIST 최예진 석박사통합과정생을 포함한 공동 연구팀의 주도로 진행되었으며, 과학기술정보통신부의 지원을 받아 한국연구재단의 나노소재 기술 개발 프로그램 및 기초연구실 과제 지원을 통해 수행되었다. 연구 결과는 국제 학술지 Advanced Energy Materials에 2025년 2월 19일에 게재됐다.

<구글 번역으로 번역한 영문 기사의 전문 입니다. 번역에 오류가 있을 수 있음을 밝힙니다.>

DGIST Develops Technology to Significantly Improve the Efficiency of Eco-Friendly Solar Cells

The research team led by Professor Choi Jong-min of the Department of Energy Engineering at DGIST (Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology) and researchers at UNIST (Ulsan National Institute of Science and Technology) have developed a technology that can significantly improve the power conversion efficiency (PCE) of solar cells compared to the existing ones.

The research team increased the efficiency of solar cells to 8.26% through the new technology, and this is expected to accelerate the commercialization of next-generation eco-friendly solar cells.

The key material in this study is silver bismuth sulfide (AgBiS2) nanocrystals. This material has the advantage of being environmentally friendly as it is non-toxic and has abundant raw materials, compared to existing high-efficiency solar cells that cause environmental problems by containing harmful heavy metals such as lead or cadmium. However, the existing problem was that if manufactured beyond a certain thickness, electricity did not flow well, which led to a sharp drop in efficiency.

To solve this problem, the research team developed a thin film with a special mixed structure that allows electricity to flow better. The research team chemically treated silver bismuth sulfide nanocrystals to allow donors and acceptors with different properties to coexist in one layer, thereby efficiently facilitating the flow of electricity.

As a result, the performance was maintained even when a thick 65nm (nanometer) light-absorbing layer was created, and the efficiency of the solar cell was improved to 8.26%. This is equivalent to charging a smartphone 4-5 times or lighting an LED light bulb for more than 2 hours.

Professor Choi Jong-min of DGIST said, “This study significantly increased the charge diffusion length by allowing donors and acceptors to coexist in the same layer of AgBiS2 solar cells, thereby maintaining performance even in thick layers.” He added, “We hope that this technology will be applied to various high-efficiency solar cells in the future and contribute to eco-friendly energy generation.”

This study was led by a joint research team including Professor Hae-Jeong Kim and Professor Jin-Young Park of the Department of Energy Engineering at DGIST and Ye-Jin Choi, a combined master's and doctoral student at UNIST, and was conducted with the support of the Nanomaterial Technology Development Program and Basic Research Laboratory Project of the National Research Foundation of Korea with the support of the Ministry of Science and ICT. The results of the study were published in the international academic journal Advanced Energy Materials on February 19, 2025.