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- 대기 환경에서 용액 코팅법으로 제조한 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지, 세계 최고 효율 기록

- 차세대 태양전지 원천기술, 에너지환경 분야 국제학술지 ‘Energy & Environmental Science(IF 38.532)“ 표지논문 선정

□ 국내 연구진이 잉크 코팅 방식을 통해 4단자형* 용액공정 기반 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지 최고 효율을 달성하고 양산화 가능성도 열어 주목을 받고 있다.

* 4단자형 : 탠덤 태양전지 구조에 관련된 용어. 상하부셀이 일체형으로 제작되어 2개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 2단자형, 상하부셀이 독립적으로 작동해 총 4개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 4단자형이라고 함.

■ 한국에너지기술연구원(원장 김종남) 태양광연구단은 대기 환경에서 간편하게 용액을 발라 코팅하는 방법으로 제작하는 저비용？고효율 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지 핵심기술을 개발했다.

□ '쇼클리-콰이저(Shockle y-Queisser)' 이론에 따르면 기존 단일접합 태양전지가 가질 수 있는 최대 효율은 약 30% 초반이다. 이를 극복하기 위해 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대(밴드갭)를 가진 태양전지를 적층해 빛의 이용률을 높인 게 탠덤 태양전지이다.

□ 탠덤 태양전지는 일반적으로 실리콘이나 CIGSe계 태양전지*를 하부셀로, 페로브스카이트 태양전지를 상부셀로 결합해 구성한다. 하부셀은 주로 장파장의 빛을 사용하기 때문에 CIGS계 태양전지를 하부셀로 적용할 때는 갈륨(Ga)을 제거해 밴드갭을 낮춘 CISe 또는 CISSe 흡수층이 주로 활용된다.

* CIGSe (Cu(In,Ga)Se₂)계 태양전지: 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 기본 원소로 이루어진 화합물 반도체로 빛을 흡수하는 특성이 뛰어나 박막형 태양전지에 적합한 물질. 갈륨을 제거하거나 셀레늄의 일부를 황 (S)으로 치환하여 밴드갭을 조절한 CuInSe₂(CISe) 및 CuIn(S,Se)₂(CISSe) 을 모두 포함하여 통칭하는 용어임.

□ 고효율과 더불어 유연성 등 다기능성이 장점인 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지의 경우, CISSe 하부셀의 저가화를 위한 용액 공정으로 DMF(Dimethylformamide) 용매에 구리(Cu), 인듐(In), 황(S) 출발물질을 녹인 잉크 코팅법이 있다. 하지만 공정 중의 산소 및 수분 노출을 최소화하기 위해 박막 코팅을 불활성 기체 분위기(질소를 채운 글로브 박스)에서 진행해야 하는 제한이 있어 양산성과는 거리가 있다.

■ 이에 연구팀은 양산성 확보에 초점을 두고 DMF 용매 기반 연구를 진행하던 중, 오히려 공기 중 산소를 활용해 박막의 특성과 태양전지 효율을 향상시킬 수 있는 방법을 개발했다.

□ DMF기반 공정에서 CISSe 박막 형성 중 생성되는 표면 결함(defect)은 전하의 재결합 손실과 전하 이동을 방해하기 때문에 효율을 저하시키는 가장 큰 요인이다. 그런데 이 결함이 생기는 원인은 박막 형성에 필요한 핵심 원소인 인듐(In)의 확산 및 반응 속도가 다양한 확산 방해 요소들에 의해 제한을 받기 때문이다. 연구팀은 인듐(In)의 확산 및 반응을 용이하게 하기 위해 최적화된 열처리 온도와 공기 중 산소 공급의 조합을 통해 표면 결함을 감소시켰다.

■ 그 결과 연구팀은 양산 가능성이 높은 공기 중 용액 코팅 방식을 사용하면서도 질소 분위기에서 제작한 기존 소자의 최고 효율인 13.5%를 뛰어넘는 새로운 최고 효율 기록 14.4%(인증효율 기준, 용액 공정 CISSe 태양전지 카테고리)를 달성했다.

■ 더 나아가, 연구팀은 이 기술을 공기 중 용액 코팅이 가능한 페로브스카이트 태양전지 기술과 접목해 4단자형 탠덤효율 23.03%를 달성했다. 이는 기존 용액 공정 기반 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지 최고 효율 19.4%를 크게 상회하는 효율이다.

■ 교신저자인 안세진 박사는 “이번 연구 결과는 탠덤 태양전지의 높은 발전 성능과 저비용 공정이라는 두 마리 토끼를 한꺼번에 잡을 수 있는 원천기술을 개발했다는 데 중요성이 있다.”며 “향후 일체형 태양전지 구현 및 대면적화에 노력을 기울일 것”이라고 말했다.

■ 이번 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 일환으로 수행됐으며, 특히 연구결과는 우수성을 인정받아 에너지 환경 분야 최우수 국제학술지인 ‘Energy & Environmental Science (IF 38.532)’紙의 4월 표지논문(Outside front cover)으로 선정됐다.