[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경 

단일 접합 태양전지의 이론적인 광전변환1) 율은 최대 34%로 제한돼 있다. 태양전지라는 반도체가 가지는 밴드 갭(band gap)2) 때문이다. 태양전지의 밴드 갭보다 에너지가 큰 광자(빛 알갱이)가 들어오면 빛을 받아 생성된 전자-전공 에너지 중 남는 잉여분이 생긴다. 이 에너지는 전기 생산에 이용되지 못하고 열 에너지로 변환된다. 또 태양전지의 밴드 갭보다 에너지가 작은 광자는 아예 흡수되지 못한다.

이런 문제를 극복하기 위한 ‘탠덤 태양전지(Tandem Solar Cell)’는 밴드 갭이 다른 반도체 물질을 연속적으로 적층해 광 흡수 특성을 최대화한다. 이 태양전지의 이론적 효율은 최대 87%로 알려져 있다.

탠덤 태양전지는 접합부가 전기적으로 결합되는 방식에 따라 4 터미널 구조3)와 2 터미널 구조4) 구분 될 수 있다. 2 터미널 구조 탠덤태양전지는 4 터미널 구조 보다 설계와 제작이 까다롭지만, 사용되는 기판의 수가 적고 기판에 의해 손실되는 태양 스펙트럼을 감소시켜 광전변환효율이 높다.

2. 연구내용  

본 연구팀은 현재 태양전지 시장에서 주류를 차지하는 ‘실리콘 기반 태양전지’와 ‘고효율 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지’의 일반적인 적층형 탠덤 구조와는 다른 투명 전도성 접착층을 이용한 신개념 2 터미널 탠덤 구조를 고안했다.

2 터미널 구조 탠덤 셀의 경우 4 터미널 탠덤 셀 보다 이론적 효율이 높지만, 각각의 밴드 갭을 최적화해야 하며, 직렬로 연결된 두 셀이 최고 효율로 동작하도록 광전류를 일치시키는 커런트 매칭(current matching)5)이 필요해 설계가 어렵다.

이번 연구에서는 ‘투명 전도성 접착층을 이용한 기계식 일체형 페로브스카이트/실리콘 텐덤 태양전지’는 광학 계산 기반 설계 기술과 동시에 투명 전도성 접착층을 도입했다.

상부와 하부의 최대 광전류를 맞추기 위한 다층구조 페로브스카이트 셀 광학 설계를 진행했다. 두 개의 태양전지를 접합하면 양쪽에 흐르는 태양광에 따른 전류가 달라질 수 있고, 이 경우 최적의 효율을 얻어낼 수 없다. 따라서 양쪽 태양전지의 장점을 최대한 취할 수 있는 전류를 찾아 맞춘 것이다.

이를 위해 탠덤 태양전지에 맞는 최적 구조를 먼저 모델링했다. 실리콘의 밴드 갭은 조절할 수 없으므로, 페로브스카이트 물질의 농도를 조절하여 두께를 조절해 탠덤 태양전지를 이루는 두 개의 셀에 흐르는 광전류를 맞췄다.

탠덤 태양전지의 하부 셀로는 현재 태양전지 시장에서 모듈 발전 단가가 가장 낮은 p형(p-type) 실리콘 기반 ‘알루미늄 후면 전계(Aluminum Back Surface Field, Al-BSF) 태양전지’를 사용했다, 그런 다음 고효율을 가지면서 투명한 페로브스카이트 태양전지를 상부 셀로 광 흡수를 극대화하였고, 각 상하부셀을 투명 전도성 접착층을 이용한 새로운 개념의 부착형 텐덤 구조를 개발했다.

또한 투명 전도성 접착층을 활용해 기존의 적층형 텐덤 구조를 대신할 신개념 텐덤 구조를 개발함으로써 탠덤 전지의 상용화가 가능성을 얻었다.

3. 기대효과  

2 터미널 구조의 탠덤전지의 경우, 제작 방법이 까다로운 문제점이 있으나, 각각 제조된 서로 다른 광흡수 층을 갖는 두 개의 태양전지를 투명 전도성 접착층을 이용해 이어줌으로써, 커런트 매칭 기술 적용이 쉽고 제작이 간편해 졌다. 기존 실리콘 태양전지 공정과 페로브스카이트 공정을 그대로 활용 할 수 있기 때문에 상용화 가능성도 높다. 또한 이 제작 기술을 새로운 소재에 적용한다면, 고효율을 갖는 탠덤전지 개발이 가능할 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 광전변환(photoelectric transformation)

물질이 빛을 흡수하여 자유전자를 발생시키는 전자방출 현상인 광전효과(Photoelectric Effect)를 이용해 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시키는 것을 말한다. 태양광을 이용하는 태양광전지의 작동 원리이다.

2. 밴드갭 (band gap)

원자내 전자가 가질 수 있는 에너지 레벨이 모여서 띠처럼 영역을 형성하는데 이를 에너지 밴드라 한다. 이 때 전자가 존재 할 수 없는 에너지 간격이 존재하는데 이를 밴드갭이라고 하며, 밴드갭의 구조가 도체, 반도체와 같은 물질의 전기 전도성을 결정한다. 또한 밴드갭의 간격에 따라 흡수 할 수 있는 에너지 파장이 다르다.

3. 4 터미널(4-Terminal) 구조

4-terminal의 경우 탠덤 태양전지를 이루고 있는 2개의 태양전지가 각각의 양극과 음극을 가지고 외부 회로를 통해 전기적으로 연결되는 구조이다.

4. 2 터미널(2-Terminal) 구조

기판에 상하부셀을 순차적으로 적층하여 제작되며 상부셀과 하부셀이 직렬 연결된 구조이다. 4 터미널(4-Terminal) 구조와 달리 상하부셀의 광전류(커런트)및 전압 매칭, 전자와 정공의 재결합이 용이한 내부층 등이 필요하다.

5. 광전류매칭 (current matching)

2-Terminal 구조의 경우 전기적으로 상하부 소자가 직렬 연결되어(series-coupling) 있는 형태이기 때문에, 상하부 소자가 흡수하고 생성하는 전류를 조절하는 작업인 광전류 매칭(current matching)이 필요하다. 상하부 광전류가 매칭되지 않을 경우 전지의 효율이 떨어진다.

[붙임] 그림설명

그림1. 투명 전도성 접착층을 이용한 기계식 일체형 태양전지 모형 결합층인 투명 전도성 접착층(TCA) 기준으로, 아랫부분은 실리콘 태양전지이고 윗부분은 페로브스카이트 태양전지다. 은(Ag)이 코팅된 고분자 나노 입자들이 전류의 흐름을 도와준다.