DGIST, 차세대 박막태양전지의 효율 높일 핵심원리 규명

DGIST 연구진이 차세대 박막태양전지의 효율 높일 핵심원리를 규명했다. 박막태양전지연구센터 강진규 센터장(앞줄 오른쪽), 김대환 책임연구원(앞줄 왼쪽)과 연구진들이 기념촬영을 하고 있다.

DGIST 연구진이 미래 친환경 에너지원인 차세대 박막태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있는 핵심원리를 찾아냈다. 이번 연구를 통해 향후 미래 태양광 기술과 차세대 박막태양전지 산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

DGIST(총장 국양)는 박막태양전지연구센터 강진규 박사 연구팀이 CZTS 박막태양전지 공정 과정에서 광흡수층 합성에 필요한 입자의 성장을 돕는 액상(L-CTSe)을 최초로 발견했다고 14일 밝혔다.

주목받는 대체에너지로 저비용·무독성 소재를 활용한 차세대 태양전지 연구가 전 세계에서 활발히 진행 중인 가운데 DGIST 박막태양전지연구센터에서 개발 중인 CZTS 박막태양전지는 저렴하고 독성이 거의 없는 구리, 주석, 아연을 주요 소재로 활용한다. 고가의 인듐, 갈륨이 소재인 CIGS 박막태양전지나 유독성 중금속인 납을 포함되는 페로브스카이트와는 달리 대량 생산이 용이한 장점이 있다. 특히 DGIST 연구팀이 보유하고 있는 CZTS 박막태양전지 광전변환효율은 세계최고 수준인 12.6%를 기록하고 있으며, 상용화 연구에 앞장서고 있다.

CZTS 박막태양전지는 유리기판 위에 관련 소재인 몰리브데늄, 아연, 구리, 주석을 넣고 진공 공정으로 얇은 박막을 형성시킨다. 이 금속 박막은 열처리 과정을 통해 합성되면서 태양광을 흡수하는 광흡수층으로 만들어진다. 연구팀은 이 과정에서 박막 내부에 구리, 주석, 셀레늄이 함유된 액상이 발현하는 것을 발견했는데, 이는 광흡수층의 형성과 연관이 있음을 추측했다.

CZTS 광흡수층 및 태양전지의 단면에서 관찰된 두 종류의 입자 크기 분포 및 액상잔여물.

연구팀은 액상이 포함된 박막 내부에서 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄으로 구성된 여러 크기의 입자들을 관찰했다. 작은 입자들은 액상에 쉽게 녹아 큰 입자들과 결합하면서 큰 입자는 더욱 더 크게 성장했다. 이렇게 성장한 입자들은 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄 화합물로 구성된 광흡수층으로 형성되었다. 이를 통해 액상이 광전변환 효율을 좌우하는 입자 형성에 기여하는 것을 최초로 규명했다. 또한 액상을 제어할 경우 저온에서도 큰 입자가 성장해 광흡수층을 형성할 수 있음을 추가로 제시했다.

DGIST연구팀이 차세대 박막태양전지의 효율 높일 핵심원리를 규명한 논문이 4월 14일자 'Advanced_Energy_Materials' 표지논문으로 게재되었다.

박막태양전지연구센터 김대환 책임연구원은 "액상이 식으면서 발생하는 고체 상태인 잔류물질이 입자 경계에 일부 존재하는 것을 확인했다"며 "추가연구를 통해 이를 제거한다면 소자 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것"이라고 말했다. 강진규 센터장은 "앞으로도 범용소재를 활용하는 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다"고 소감을 밝혔다.

이번 연구는 김세윤 연구원과 손대호 연구원이 주저자로 참여했고, 에너지 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)' 4월 14일 표지논문으로 게재됐다. 이 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원이 지원한 '범용무독성 광흡수층 기반 플렉시블 무기 박막태양전지개발' 과제로 수행됐다.

박종문기자 kpjm@yeongnam.com
?광전변환(光電變換)= 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 것.

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