차세대 박막태양전지 효율을 높일 수 있는 핵심원리가 규명됐다. 향후 미래 태양광 기술과 차세대 박막태양전지 산업 발전에 기여할 수 있을 전망이다.
대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)는 강진규 박막태양전지연구센터 박사 연구팀이 CZTS 박막태양전지 공정 과정에서 광흡수층 합성에 필요한 입자의 성장을 돕는 액상(L-CTSe)을 최초로 발견했다고 14일 밝혔다.
환경오염문제과 함께 신재생 에너지 개발은 국가적 화두다. 이 가운데 현재 주목받고 있는 대체에너지인 태양에너지 저비용, 무독성 소재를 활용한 차세대 태양전지 연구가 전 세계적으로 활발하다.
DGIST 박막태양전지연구센터에서 개발 중인 CZTS 박막태양전지는 저렴하고 독성이 거의 없는 구리, 주석, 아연을 소재로 활용한다. 고가의 인듐, 갈륨이 소재인 CIGS 박막태양전지나 유독성 중금속인 납을 포함되는 페로브스카이트와는 달리 대량 생산이 쉽다는 장점이 있다. 특히 DGIST 연구팀이 보유하고 있는 CZTS 박막태양전지 광전변환효율 세계최고 수준인 12.6%를 기록하고 있어 상용화 연구를 선도하고 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 발견했다. 이는 광흡수층의 형성과 연관이 있다는 것을 추측할 수 있다.
연구팀은 액상이 포함된 박막 내부에서 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄으로 구성된 여러 크기 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 형성됐다. 이를 통해 액상이 광전변환 효율을 좌우하는 입자 형성에 기여하는 것을 최초로 규명했다. 또 액상을 제어할 경우 저온에서도 큰 입자가 성장해 광흡수층을 형성할 수 있음을 추가로 제시했다.
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 “향후 범용소재를 활용하는 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다.”고 말했다.
김세윤 연구원과 손대호 연구원이 주저자로 참여한 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 국제학술지인 '어드밴스드 에너지 머티리얼즈' 표지논문으로 게재됐다. 이 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원이 지원한 '범용무독성 광흡수층 기반 플렉시블 무기 박막태양전지개발' 과제로 수행됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
