[세종=뉴스핌] 이경태 기자 = 국내 연구진이 잉크 코팅방식으로 제조한 태양전지의 효율을 세계 최고 수준으로 끌어올릴 수 있는 기술을 개발했다. 이를 통해 원가를 줄이고 보다 간단한 방식으로 태양전지 제작이 가능해질 것으로 보인다.

한국에너지기술연구원 태양광연구단은 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. CISSe는 구리, 인듐, 갈륨, 셀레늄을 말한다.

잉크 코팅 방식을 이용한 CISSe 및 페로브스카이트 태양전지 제작 및 이 둘을 융합한 탠덤 태양전지 제작을 중세 연금술사의 실험에 빗대어 형상화한 그림 [자료=한국에너지기술연구원] 2022.04.27 biggerthanseoul@newspim.com

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 양산이 쉽지 않다.

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. 

해당 결과를 토대로 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.

페로브스카이트/CISSe 탠덤 태양전지 제조 기술 [자료=한국에너지기술연구원] 2022.04.27 biggerthanseoul@newspim.com

연구팀은 또 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.

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 "이를 통해 상용화는 오는 2030년께 가능할 것"이라고 내다봤다.

이번 연구는 에너지 환경 분야 최우수 국제학술지인 '에너지&환경 과학(Energy & Environmental Science)'의 4월 표지논문으로 선정됐다.

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