대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 양기정·김대환·강진규 에너지환경연구부 책임연구원팀이 이화여대, 인천대, MIT 연구팀과 공동으로 케스터라이트 박막태양전지의 광흡수층에서의 전자-정공 분리 특성 연구를 통해 태양광 전지 효율을 높일 수 있는 기술을 개발했다고 17일 밝혔다.
태양전지는 친환경적이며 무한한 태양광 자원을 활용할 수 있어 차세대 주요 에너지 자원으로 주목받고 있다. 이 가운데 '케스터라이트 박막태양전지'는 구리·아연·주석 등 재료로 만들어져 자원의 편중이 없고 경제적이라는 장점이 있다. 하지만 케스터라이트 박막태양전지의 효율은 여전히 상대적으로 낮은 수준에 머물러 있다.
케스터라이트 박막태양전지는 태양에서 발생한 빛을 흡수해 전자와 양공을 생성하는데, 전자와 양공이 결합하면서 전기를 생성하는 과정에서 손실이 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 전자와 양공이 빠르게 분리되게 하는 '전자-정공 분리'의 특성을 이해하고 그 원인을 규명하는 것이 중요하다.
연구팀은 원자 현미경을 사용해 광흡수층 결정 내부와 경계에서의 전자-정공 분리 특성을 분석했다. 이를 통해 광흡수층의 구조적 특성과 전자-정공 분리 효율을 조사했다. 특히 결정 내부와 경계에서의 에너지 준위 차이가 전자-정공 분리에 미치는 영향을 자세히 분석했다.
연구팀에 따르면 박막태양전지 광흡수층 표면 및 표면 근처 영역에서 에너지 준위는 결정 경계에서 더 높고 전자는 결정 내부로 이동해 전류는 결정 내 흐름이 우세하게 된다. 그러나 광흡수층 내부에서는 이와는 반대의 특성을 나타내게 된다. 이 경우 결정 경계에서의 결함에 의해 전자-정공 재결합 손실이 발생할 수 있다.
더 나아가 연구팀은 케스터라이트 박막태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 에너지 준위가 결정 내부보다 경계에서 높은 광흡수층을 균일하게 생성하는 것이 중요하고, 이를 위해 적절한 원소 도핑을 활용할 수 있음을 제안했다.
양기정 책임연구원은 “기존 태양전지 연구 분야에서 원자 현미경 분석이 광흡수층의 표면에 국한되었다면, 이번 연구에서는 광흡수층 전체에 걸쳐 분석할 수 있는 방법과 그 결과를 제시한 사례”라면서 “박막태양전지 뿐만 아니라 여러 다른 분야에서 캐리어 거동 특성을 이해할 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구에는 조월렴 이화여대 물리학과 교수팀과 김준호 인천대 물리학과 교수팀, 남상훈 MIT 기계공학과 박사 연구팀이 함께 참여했다. 과학기술정보통신부 원천기술개발(단계도약형 탄소중립기술개발) 및 미래선도형특성화연구(그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)) 사업의 지원을 받아 수행된 이번 연구 성과는 최근 에너지 분야 최상위 국제 학술지인 '카본 에너지' 3월호 '백 커버(Back cover)'로 선정됐다.
대구=정재훈 기자 jhoon@etnews.com
