페로브스카이트 태양전지 기술과 접목 4단자형 탠덤효율 23.03% 달성
[에너지데일리 변국영 기자] 국내 연구진이 잉크 코팅 방식을 통해 4단자형 용액공정 기반 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지 최고 효율을 달성하고 양산화 가능성도 열어 주목되고 있다.
한국에너지기술연구원 태양광연구단은 대기 환경에서 간편하게 용액을 발라 코팅하는 방법으로 제작하는 저비용·고효율 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지 핵심 기술을 개발했다.
고효율과 더불어 유연성 등 다기능성이 장점인 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지의 경우 CISSe 하부셀의 저가화를 위한 용액 공정으로 DMF 용매에 구리, 인듐, 황 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 인듐의 확산 및 반응 속도가 다양한 확산 방해 요소들에 의해 제한을 받기 때문이다. 연구팀은 인듐의 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 것이다.
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)’지의 4월 표지논문으로 선정됐다.
