2단자 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지 (tandem solar cells) 연구 동향
2021-11-01
org.kosen.entty.User@1b982ce5
홍성준(jjunnii)
1. 개요
최근 단일접합 태양전지의 전력변환 효율은 이론적 효율 (31-33%)에 근접하고 있다[1]. 그러나, GaAs와 같은 대부분의 효율적인 단일접합 태양전지의 출력 전압은 대략 1V 정도로 실생활에 적용하기에는 불충한 실정이다. 다행스럽게도 이러한 출력전압 및 효율을 다중 흡수체를 연결하여 탠덤 태양전지를 제작함으로써 향상시킬 수 있다. 이론적인 계산에 의하면 이중 및 삼중 접합 태양전지의 효율은 각각 42% 및 49%이며, 출력전압 또한 그에 상응하여 2배, 세배로 증가하게 된다 [2]. 예를 들어, 시장을 주도하고 있는 결정질 실리콘 태양전지의 출력전압은 약 0.6V이나 실리콘 태양전지 상부에 CdSe를 접합함으로써 1.21V까지 출력전압을 증가시킬 수 있다[3]. 또한, 최근의 고전압 페로브스카이트 태양전지의 가파른 효율향상으로 탠덤 태양전지의 개방전압 (VOC:open-circuit voltage)이 급격이 증가하고 있다. 일반적으로 페로브스카이트 기반 이중접합 태양전지의 개방전압이 2.3V까지 도달하고 있다[4]. 탠덤 태양전지는 단입접합 태양전지의 물리적 한계를 돌파할 수 있는 가능성을 제공하며 또한 태양전지 모듈이 더 높은 효율을 달성할 수 있는 기반을 제공할 수 있다. 접합의 수를 증가시킴으로써 앞서 설명한 탠덤 태양전지의 효율 및 출력전압을 증가시킬 수 있으나 접합의 수가 증가함에 따라 제조공정의 점점 복잡해지고 따라서 제조단가가 증가하여 본 보고서에서는 이중 접합 태양전지에 대해 주로 다루도록 하겠다.
이중접합 태양전지는 구조에 따라 크게 두가지 형태로 나눌 수 있다. 2개의 독립적인 태양전지를 외부 도선에 의해 물리적으로 접합한 4단자 탠덤 (4-terminal)과 일체형으로 제작한 2단자 (2-terminal) 탠덤 구조가 있다. 4단자 탠덤의 2단자에 비해 추가적인 전도성 기판이 필요하며 이로 인해 에너지 손실이 더 발생하는 단점이 존재한다. 이에 반해, 2단자 탠덤은 두개의 하위셀 (subcell)이 층층이 단일 통합 구조로 제조되며, 이러한 구조로 인해 태양 스펙트럼의 전체 흡수와 하위 셀간의 동일한 전류 매칭을 위해서 좀 더 정확한 광학적/전기적 매칭이 최적화되어야 한다[5]. 이러한 관점에서 특히 중요한 것은 두 하위셀간의 광생성 캐리어 (photogenerated carriers)의 원활한 흐름을 촉진시키기 위해 광학적/전기적 손실을 최소화할 수 있는 두 하위셀을 연결하는 중간층 (interlayer or buffer layer)의 개발이다. 다행이도, 최근 중간층에 대한 연구 개발의 성과와 페르브스카이트 태양전지 (PSCs:perovskite solar cells)의 급격한 효율 향상으로 2단자 탠덤 태양전지는 높은 효율과 유례없는 출력전압을 구현할 수 있게 되었다.
페로브스카이트는 일반적으로 ABX3의 분자식을 갖으며, A는 CH3NH3+ (MA+), HC(NH2)2+ (FA+), Cs+와 같은 일가 양이온, B는 Pb2+, Sn2+와 같은 2가 양이온, X는 I-, Br-, Cl-와 같은 1가 음이온을 나타낸다. 페로브스카이 물질의 밴드갭은 A/B/X의 원소를 다르게 조합함으로써 조절이 가능하여 전력변환 효율과 개방전압의 균형을 맞추는데 용이하다. 또한, 페로브스카이는 광흡수 능력이 매우 뛰어나고 (a~105 cm-1) [6], 1mm이상의 양극성 확산 길이 (ambipolar diffusion length)를 가지며, 높은 전하 이동도 (charge carrier mobility; 전자에 대해서 24±7 cm2V-1s-1, 정공에 대해서 105±5 cm2V-1s-1 ) [7]를 나타내 최적의 광흡수층으로 여겨지고 있다. 이러한 관점에서 본 보고서에서는 페로브스카이트/실리콘으로 이루어진 2단자 탠덤 태양전지의 개발 동향 및 향후 연구 방향에 대해서 논할 것이다.
2. 주요 내용
2-단자 일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 (2T Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells)
현재, 결정질 실리콘 태양전지는 태부분의 태양전지 시장을 주도하는 태양전지 기술이다. 실리콘의 태양전지의 최고 효율은 26.6%로 이론적 한계 효율인 29.4%에 매우 근접해 있다 [8]. 동시에 실리콘 태양전지의 개방전압은 고작 0.5-0.6V로 실생활 적용에 요구되는 전압을 만족시키지는 못하는 실정이다. 밴드갭이 큰 (wide-band gap) PSC와 탠덤 소자를 제작하는 것이 실리콘 태양전지의 출력전압 한계를 돌파할 수 있는 실용적 대안으로 떠오르고 있다. 그림1에 네 가지 형태의 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에 대한 전련변환 효율의 변화 추이를 나타내었다. 최초의 탠덤 태양전지는 2015년 Mailoa와 그 동료들에 의해 보고되었으며 1.61 eV의 밴드갭을 갖는 MAPbI3를 상부셀로, n-type Si 태양전지를 하부 셀로 적용하였다 [9]. 일반적으로, 결정질 Si 태양전지는 빛 흡수의 최대화를 위해 상/하부에 피라미트 격자 형태의 빛 산란층이 도입되어 있으나, 페로브스카이트의 균일한 코팅을 위해 Si 태양전지의 상부층을 조심스럽게 연마하여 평탄화를 진행한 것을 확인할 수 있다. 또한, 재결합층(CRL: charge recombination layer) 및 최상부 금속 전극의 최적화를 통해 13.7%의 효율을 달성하였다. 주목할 점은, 1.65V의 개방전압을 보고하였는데 이는 페로브스카이트와 필터링된 Si의 개방전압의 합과 거의 유사한 값으로 2T-PSC/Si의 높은 잠재력을 보여주었다는 것이다. 같은 해 Albrecht등은 개방전압이 더 높은 이종접합 Si (SHJ:Si heterojuction) 태양전지를 하부셀로 사용하고 FA0.83MA0.17Pb(I0.83Br0.17)3 조성의 페로브스카이트를 상부셀로 하여 18.1%의 효율을 갖는 탠덤 태양전지를 보고하였다 (VOC = 1.78V) [10]. 다만, 이경우 SHJ의 상/하부 양면을 모두 평탄화하여 Si 하부셀에서의 반사 손실이 크게 일어나 하부 셀에서 단락 전류 (JSC: short-circuit current density)의 limit이 발생하여 효율이 더 이상 증가하지 못하는 한계점을 나타내었다. 따라서, Si 하부셀의 단락전류를 증가시키기 위해서는 피라미드 격자 산란층이 도입된 SHJ 태양전지를 사용하려는 시도가 뒤따랐다 [11]. 이러한 결과로 SHJ 하부셀의 단락전류가 0.77 mAcm-2는 증가되었고 전체 탠덤 태양전지의 단락전류는 16.1 [12]에서 16.4 mAcm-2 [13]는 향상되어 효율이 19.2%에서 20.5%로 올랐으며 1.72V의 개방전압을 얻을 수 있었다. 앞서 설명한 것과 같이, 탠덤 태양전지의 빛이 입사되는 전면에 반사 손실을 줄이기 위해 비슷한 형태의 광조절 필름(textured light management film)를 도입하여 효율 25.5%와 개방전압 1.76V를 얻을 수 있었다 [14].
마지막으로 최근 Albrecht등은 메틸기가 도입된 carbazole 계열의 자리조립단층(SAM:self-assembly monolayer)를 정공수송층한 PSC를 제작하여 1.23V의 개방전압과 84%의 충진계수를 보고하였다 [15]. 이는 지금까지 보고된 PSC 중 가장 높은 값으로 SAM에 의한 매우 빠른 정공 추출과 계면에서의 비방사재결합(non-radiative recombination)의 최소화에 의한 것으로 해석하였다. 이러한 PSC의 놀라운 특성은 탠덤 태양전지에서도 구현되어 29.15% 높은 효율을 보고하게 되었다.
그림 1. 표면 상태에 따른 2T-PSC/Si 탠덤 태양전지의 전력변환 효율 변화 추이 (CRL:charge recombination layer, 재결합층) (reference: Small, 17, 2006145, 2021)
3. 결언
높은 출력 전압과 효율을 갖는 페로브스카이트 기반의 탠덤 태양전지는 전세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 2T PSC/Si 탠덤 태양전지는 최근 5년 사이에 놀라울 정도의 발전 속도를 보이고 있다. 그럼에도 불구하고 더 높을 효율 향상과 상용화를 위해서는 몇가지 해결해야 될 기술적 난제들이 존재한다. 효율 향상을 위해서는 더 높은 투과도와 효율 저하를 최소화 할 수 있는 혁신적인 재결합층 (CRL)의 개발이 선행되어야 한다. 또한, 수분, 공기, 온도, 빛 조사와 같은 외부 환경에 의해 야기되는 페로브스카이트 광흡수층의 본질적인 취약성을 해결해야 한다. 마지막으로, 현재까지 대부분의 연구결과는 상부 페로브스카이트의 균일한 코팅을 담보하기 위해 Si 하부셀의 상부층에 대한 평탄화를 진행해 Si 태양전지의 고유한 특성 일부에 대한 손실을 야기시켜 왔다. 특히, 실험실 수준에서는 일반적으로 스핀 코팅 공정에 의해 페로브스카이트 층을 제조하는 바 수 마이크로 미터 단차의 크기를 갖는 textured Si에 균일한 박막의 제조에 한계점을 나타내고 있다. 이러한 관점에서 또한 보다 상업적이 공정 프로세스에 적합한 페로브스카이트 층을 제조할 수 있는 신규 공정의 개발이 필수적이다. 몇몇 연구에서 스핀코팅 공정이 아니 열증착 공정을 통한 textured Si 표면에 균일한 형태의 박막 제조에 대한 결과를 보고하고 있는 바 한가지 대안으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 몇가지 이슈에 대한 해결책은 향후 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지의 전망을 밝게 할 것으로 여겨진다.
최근 단일접합 태양전지의 전력변환 효율은 이론적 효율 (31-33%)에 근접하고 있다[1]. 그러나, GaAs와 같은 대부분의 효율적인 단일접합 태양전지의 출력 전압은 대략 1V 정도로 실생활에 적용하기에는 불충한 실정이다. 다행스럽게도 이러한 출력전압 및 효율을 다중 흡수체를 연결하여 탠덤 태양전지를 제작함으로써 향상시킬 수 있다. 이론적인 계산에 의하면 이중 및 삼중 접합 태양전지의 효율은 각각 42% 및 49%이며, 출력전압 또한 그에 상응하여 2배, 세배로 증가하게 된다 [2]. 예를 들어, 시장을 주도하고 있는 결정질 실리콘 태양전지의 출력전압은 약 0.6V이나 실리콘 태양전지 상부에 CdSe를 접합함으로써 1.21V까지 출력전압을 증가시킬 수 있다[3]. 또한, 최근의 고전압 페로브스카이트 태양전지의 가파른 효율향상으로 탠덤 태양전지의 개방전압 (VOC:open-circuit voltage)이 급격이 증가하고 있다. 일반적으로 페로브스카이트 기반 이중접합 태양전지의 개방전압이 2.3V까지 도달하고 있다[4]. 탠덤 태양전지는 단입접합 태양전지의 물리적 한계를 돌파할 수 있는 가능성을 제공하며 또한 태양전지 모듈이 더 높은 효율을 달성할 수 있는 기반을 제공할 수 있다. 접합의 수를 증가시킴으로써 앞서 설명한 탠덤 태양전지의 효율 및 출력전압을 증가시킬 수 있으나 접합의 수가 증가함에 따라 제조공정의 점점 복잡해지고 따라서 제조단가가 증가하여 본 보고서에서는 이중 접합 태양전지에 대해 주로 다루도록 하겠다.
이중접합 태양전지는 구조에 따라 크게 두가지 형태로 나눌 수 있다. 2개의 독립적인 태양전지를 외부 도선에 의해 물리적으로 접합한 4단자 탠덤 (4-terminal)과 일체형으로 제작한 2단자 (2-terminal) 탠덤 구조가 있다. 4단자 탠덤의 2단자에 비해 추가적인 전도성 기판이 필요하며 이로 인해 에너지 손실이 더 발생하는 단점이 존재한다. 이에 반해, 2단자 탠덤은 두개의 하위셀 (subcell)이 층층이 단일 통합 구조로 제조되며, 이러한 구조로 인해 태양 스펙트럼의 전체 흡수와 하위 셀간의 동일한 전류 매칭을 위해서 좀 더 정확한 광학적/전기적 매칭이 최적화되어야 한다[5]. 이러한 관점에서 특히 중요한 것은 두 하위셀간의 광생성 캐리어 (photogenerated carriers)의 원활한 흐름을 촉진시키기 위해 광학적/전기적 손실을 최소화할 수 있는 두 하위셀을 연결하는 중간층 (interlayer or buffer layer)의 개발이다. 다행이도, 최근 중간층에 대한 연구 개발의 성과와 페르브스카이트 태양전지 (PSCs:perovskite solar cells)의 급격한 효율 향상으로 2단자 탠덤 태양전지는 높은 효율과 유례없는 출력전압을 구현할 수 있게 되었다.
페로브스카이트는 일반적으로 ABX3의 분자식을 갖으며, A는 CH3NH3+ (MA+), HC(NH2)2+ (FA+), Cs+와 같은 일가 양이온, B는 Pb2+, Sn2+와 같은 2가 양이온, X는 I-, Br-, Cl-와 같은 1가 음이온을 나타낸다. 페로브스카이 물질의 밴드갭은 A/B/X의 원소를 다르게 조합함으로써 조절이 가능하여 전력변환 효율과 개방전압의 균형을 맞추는데 용이하다. 또한, 페로브스카이는 광흡수 능력이 매우 뛰어나고 (a~105 cm-1) [6], 1mm이상의 양극성 확산 길이 (ambipolar diffusion length)를 가지며, 높은 전하 이동도 (charge carrier mobility; 전자에 대해서 24±7 cm2V-1s-1, 정공에 대해서 105±5 cm2V-1s-1 ) [7]를 나타내 최적의 광흡수층으로 여겨지고 있다. 이러한 관점에서 본 보고서에서는 페로브스카이트/실리콘으로 이루어진 2단자 탠덤 태양전지의 개발 동향 및 향후 연구 방향에 대해서 논할 것이다.
2. 주요 내용
2-단자 일체형 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 (2T Monolithic Perovskite/Silicon Tandem Solar Cells)
현재, 결정질 실리콘 태양전지는 태부분의 태양전지 시장을 주도하는 태양전지 기술이다. 실리콘의 태양전지의 최고 효율은 26.6%로 이론적 한계 효율인 29.4%에 매우 근접해 있다 [8]. 동시에 실리콘 태양전지의 개방전압은 고작 0.5-0.6V로 실생활 적용에 요구되는 전압을 만족시키지는 못하는 실정이다. 밴드갭이 큰 (wide-band gap) PSC와 탠덤 소자를 제작하는 것이 실리콘 태양전지의 출력전압 한계를 돌파할 수 있는 실용적 대안으로 떠오르고 있다. 그림1에 네 가지 형태의 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에 대한 전련변환 효율의 변화 추이를 나타내었다. 최초의 탠덤 태양전지는 2015년 Mailoa와 그 동료들에 의해 보고되었으며 1.61 eV의 밴드갭을 갖는 MAPbI3를 상부셀로, n-type Si 태양전지를 하부 셀로 적용하였다 [9]. 일반적으로, 결정질 Si 태양전지는 빛 흡수의 최대화를 위해 상/하부에 피라미트 격자 형태의 빛 산란층이 도입되어 있으나, 페로브스카이트의 균일한 코팅을 위해 Si 태양전지의 상부층을 조심스럽게 연마하여 평탄화를 진행한 것을 확인할 수 있다. 또한, 재결합층(CRL: charge recombination layer) 및 최상부 금속 전극의 최적화를 통해 13.7%의 효율을 달성하였다. 주목할 점은, 1.65V의 개방전압을 보고하였는데 이는 페로브스카이트와 필터링된 Si의 개방전압의 합과 거의 유사한 값으로 2T-PSC/Si의 높은 잠재력을 보여주었다는 것이다. 같은 해 Albrecht등은 개방전압이 더 높은 이종접합 Si (SHJ:Si heterojuction) 태양전지를 하부셀로 사용하고 FA0.83MA0.17Pb(I0.83Br0.17)3 조성의 페로브스카이트를 상부셀로 하여 18.1%의 효율을 갖는 탠덤 태양전지를 보고하였다 (VOC = 1.78V) [10]. 다만, 이경우 SHJ의 상/하부 양면을 모두 평탄화하여 Si 하부셀에서의 반사 손실이 크게 일어나 하부 셀에서 단락 전류 (JSC: short-circuit current density)의 limit이 발생하여 효율이 더 이상 증가하지 못하는 한계점을 나타내었다. 따라서, Si 하부셀의 단락전류를 증가시키기 위해서는 피라미드 격자 산란층이 도입된 SHJ 태양전지를 사용하려는 시도가 뒤따랐다 [11]. 이러한 결과로 SHJ 하부셀의 단락전류가 0.77 mAcm-2는 증가되었고 전체 탠덤 태양전지의 단락전류는 16.1 [12]에서 16.4 mAcm-2 [13]는 향상되어 효율이 19.2%에서 20.5%로 올랐으며 1.72V의 개방전압을 얻을 수 있었다. 앞서 설명한 것과 같이, 탠덤 태양전지의 빛이 입사되는 전면에 반사 손실을 줄이기 위해 비슷한 형태의 광조절 필름(textured light management film)를 도입하여 효율 25.5%와 개방전압 1.76V를 얻을 수 있었다 [14].
마지막으로 최근 Albrecht등은 메틸기가 도입된 carbazole 계열의 자리조립단층(SAM:self-assembly monolayer)를 정공수송층한 PSC를 제작하여 1.23V의 개방전압과 84%의 충진계수를 보고하였다 [15]. 이는 지금까지 보고된 PSC 중 가장 높은 값으로 SAM에 의한 매우 빠른 정공 추출과 계면에서의 비방사재결합(non-radiative recombination)의 최소화에 의한 것으로 해석하였다. 이러한 PSC의 놀라운 특성은 탠덤 태양전지에서도 구현되어 29.15% 높은 효율을 보고하게 되었다.
그림 1. 표면 상태에 따른 2T-PSC/Si 탠덤 태양전지의 전력변환 효율 변화 추이 (CRL:charge recombination layer, 재결합층) (reference: Small, 17, 2006145, 2021)
3. 결언
높은 출력 전압과 효율을 갖는 페로브스카이트 기반의 탠덤 태양전지는 전세계적으로 많은 관심을 받고 있다. 2T PSC/Si 탠덤 태양전지는 최근 5년 사이에 놀라울 정도의 발전 속도를 보이고 있다. 그럼에도 불구하고 더 높을 효율 향상과 상용화를 위해서는 몇가지 해결해야 될 기술적 난제들이 존재한다. 효율 향상을 위해서는 더 높은 투과도와 효율 저하를 최소화 할 수 있는 혁신적인 재결합층 (CRL)의 개발이 선행되어야 한다. 또한, 수분, 공기, 온도, 빛 조사와 같은 외부 환경에 의해 야기되는 페로브스카이트 광흡수층의 본질적인 취약성을 해결해야 한다. 마지막으로, 현재까지 대부분의 연구결과는 상부 페로브스카이트의 균일한 코팅을 담보하기 위해 Si 하부셀의 상부층에 대한 평탄화를 진행해 Si 태양전지의 고유한 특성 일부에 대한 손실을 야기시켜 왔다. 특히, 실험실 수준에서는 일반적으로 스핀 코팅 공정에 의해 페로브스카이트 층을 제조하는 바 수 마이크로 미터 단차의 크기를 갖는 textured Si에 균일한 박막의 제조에 한계점을 나타내고 있다. 이러한 관점에서 또한 보다 상업적이 공정 프로세스에 적합한 페로브스카이트 층을 제조할 수 있는 신규 공정의 개발이 필수적이다. 몇몇 연구에서 스핀코팅 공정이 아니 열증착 공정을 통한 textured Si 표면에 균일한 형태의 박막 제조에 대한 결과를 보고하고 있는 바 한가지 대안으로 많은 관심을 받고 있다. 이러한 몇가지 이슈에 대한 해결책은 향후 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지의 전망을 밝게 할 것으로 여겨진다.