잉크 바르듯 만드는 탠덤 태양전지, 세계 최고 효율 기록

에너지연 태양광연구단, 대기 환경에서 간편하게 용액 발라 코팅하는 방법으로 제작

용액 공정 기반 CISSe 태양전지. 사진제공=한국에너지기술연구원

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

4단자형이란 탠덤 태양전지 구조에 관련된 용어. 상하부셀이 일체형으로 제작되어 2개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 2단자형, 상하부셀이 독립적으로 작동해 총 4개의 단자가 외부로 노출되는 구조를 말한다.

한국에너지기술연구원은 태양광연구단이 대기 환경에서 간편하게 용액을 발라 코팅하는 방법으로 제작하는 저비용?고효율 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지 핵심기술을 개발했다고 27일 밝혔다.

‘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 태양전지를 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.

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 결함은 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.

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 개발했다는데 중요성이 있다”며 “향후 일체형 태양전지 구현 및 대면적화에 노력을 기울일 것”이라고 말했다.

이번 연연구결과는 우수성을 인정받아 에너지 환경 분야 최우수 국제학술지인 ‘Energy & Environmental Science (IF 38.532)’지의 4월 표지논문(Outside front cover)으로 선정됐다.