에너지연, 용액공정 기반 탠덤 태양전지 개발

[아이뉴스24 최상국 기자] 한국에너지기술연구원(원장 김종남)은 대기 환경에서 간편하게 용액을 발라 코팅하는 방법으로 제작하는 저비용·고효율 탠덤 태양전지를 개발했다고 밝혔다.

연구소가 개발한 '4단자형 용액공정 기반 페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지'는 밀폐된 공간이 아닌 곳에서도 제작할 수 있으며 이 분야에서 세계 최고 효율을 달성해 양산 가능성을 크게 높인 것이 특징이다.

'탠덤 태양전지'란 단일접합 태양전지의 효율 한계를 극복하기 위해 두 개의 서로 다른 에너지 흡수대(밴드갭)를 가진 태양전지를 적층해 빛의 이용률을 높인 태양전지를 말한다.

일반적으로 실리콘이나 CIGSe(구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄)계 태양전지를 하부셀로, 페로브스카이트 태양전지를 상부셀로 결합해 구성한다. 하부셀은 주로 장파장의 빛을 사용하기 때문에 CIGS계 태양전지를 하부셀로 적용할 때는 갈륨(Ga)을 제거하거나 셀레늄의 일부를 황으로 대체한 CISSe계 화합물을 주로 활용한다.

기존의 CISSe 용액 공정으로는 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.

에너지연 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 박막을 형성할 때 생기는 표면 결함의 원인을 찾아내고, 최적화된 열처리 온도와 공기 중 산소 공급의 조합을 통해 표면 결함을 감소시켰다.

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

연구팀은 더 나아가 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 결과다.

연구책임자인 에너지연 태양광연구단 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.

이 연구는 에너지 환경 분야 최우수 국제학술지인 ‘에너지와 환경과학(Energy & Environmental Science) ’紙의 4월 표지논문으로 선정됐다. (논문제목: Air-processable high-efficiency CISSe solar cells from DMF molecular solution and their application to perovskite/CISSe tandems. doi.org/10.1039/D1EE03131G)