대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 에너지융합연구부 양기정·김대환 책임연구원과 강진규 박막태양전지연구센터장 연구원팀이 박막태양전지 특성 저하의 원인이 되는 흡수층 내 결함 에너지 준위(에너지값)를 제시했다고 4일 밝혔다.
연구팀은 인천대 김준호 물리학과 교수팀과 공동연구를 통해 케스터라이트 박막태양전지의 어드미턴스 분광분석을 통해 박막태양전지 특성 저하의 원인이 되는 흡수층 내 결함 에너지 준위를 제시하고, 결함의 종류를 구체적으로 규명했다.
케스터라이트 박막태양전지는 효율이 낮다. 이를 극복하기 위해서는 케스터라이트 광 흡수층 내에 존재하는 결함 특성에 대한 이해가 중요하다. 태양전지 광 흡수층 내 결함은 캐리어(전자-정공)의 재결합 손실의 원인이 되며, 결함 클러스터는 광 흡수층 내 밴드갭(에너지 흡수대) 변형의 원인이 되어 캐리어의 확산 길이와 수명을 단축시킨다. 이러한 특성에 영향을 미치는 결함과 결함 클러스터를 식별하는 것은 매우 중요하다.
연구팀은 어드미턴스 분광분석(AS)을 이용해 깊이별로 표면이 연마된 케스터라이트 광흡수층 내 결함 및 결함 클러스터 특성을 관찰했다. 이를 이용해 광흡수층 내 원소 변화가 큰 영역에서 결함과 결함 클러스터의 형성이 쉽고, 150meV 이상 깊은 에너지준위를 갖는 결함은 케스터라이트 박막태양전지 특성을 급격하게 저하시켰음을 확인했다. 케스터라이트 박막태양전지는 캐리어의 이동도가 낮기 때문에 광흡수층 표면에서 결함에너지준위가 깊어짐에 따라 캐리어 확산 길이가 더욱 감소하게 되어 전류 특성이 감소되는 것을 확인했다.
이번 연구는 케스터라이트 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 광흡수층 계면에서 에너지 준위가 깊은 결함의 형성을 억제하는 것이 중요하다는 것을 제시하고, 결함의 종류를 구체적으로 확인했다는 점에서 의미가 있다.
양기정 책임연구원은 “이러한 연구 방법은 케스터라이트 박막태양전지 뿐만 아니라 여러 다른 태양전지 연구 분야에 대해 결함 특성을 이해하고 효율을 향상시킬 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
과학기술정보통신부 원천기술개발(단계도약형 탄소중립기술개발) 및 미래선도형특성화연구(그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)) 사업을 통해 수행된 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 최상위 국제 학술지인 '카본 에너지(Carbon Energy)'에 온라인 게재됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
