[붙임] 연구결과 개요

1. 연구배경

태양전지는 태양광을 흡수한 반도체 물질(실리콘, 페로브스카이트 등)이 전기를 생산하는 장치다. 반도체 물질마다 자신이 흡수할 수 있는 태양광 영역이 고정된 특성이 있다. 자신이 흡수할 수 있는 영역의 태양 빛보다 더 큰 에너지(보통 자외선)가 들어오면 전기에너지로 변환되지 않고 열에너지로 손실된다. 반면, 이 보다 더 에너지가 낮은 빛이 들어오면 아예 흡수되지 못한다. 이 때문에 단일 접합 태양전지의 이론적인 광전변환1) 효율은 최대 34%로 제한돼 있다.

이 한계를 극복하기 위한 ‘탠덤 태양전지(Tandem Solar Cell)’는 밴드 갭2)(자신이 흡수 할 수 있는 태양광 영역의 에너지 크기)이 다른 반도체 물질을 연속적으로 적층해 광 흡수 특성을 최대화하는 장치다. 이 태양전지의 이론적 효율은 최대 87%로 알려져 있다.

탠덤 태양전지는 다양한 종류3)가 있지만, 그중에서도 태양전지 시장에서 주류를 차지하는 ‘실리콘 기반 태양전지’와‘ 고효율 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지’의 일반적인 적층형 탠덤 구조는 가격경쟁력, 효율, 제조 용이성 등을 만족한다. 최근 독일 연구팀에서는 최근 29.8% 효율을 보고하기도 했지만, 상용화를 위해서는 아직도 장기안정성, 대면적화 등의 선결과제들이 남아있다.

특히 자연 태양광에 포함된 자외선은 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지의 투명전극에 기생 흡수되거나 광활성층에 흡수될 경우 페로브스카이트의 박막 품질을 열화시키기 때문에 이를 보호할 수 있는 새로운 기술이 필요하다.

또 빛 반사를 줄이는 기술 개발도 또 다른 과제다. 탠덤 태양전지는 상용 실리콘 태양전지의 표면과 같이 광 손실을 최소화한 피라미드 구조를 만들기 어렵기 때문이다. 액체 상태의 페로브스카이트 원료를 올리는 용액 공정을 위해서는 실리콘 전지 표면에 마이크로미터 크기의 피라미드 구조를 구현하는 대신, 표면이 매끈해야만 하기 때문이다.

2. 연구내용

본 연구팀은 탠덤 태양전지의 광 안전성을 확보하고, 빛 반사에 의해 광 손실을 줄일 수 있는 다기능성 반사 방지막을 개발했다. 고분자 필름에 형광체(Phosphors)와 실리카(SiO2)를 첨가한 형태다. 이 고분자 필름은 입사광의 반사율을 감소시키기 위해 실리콘 태양전지와 유사하게 표면에 피라미드 모양의 텍스쳐 (texture)를 갖고 있다. 여기에 첨가된 형광체는 직경 10㎛(마이크로미터, 10-6m) 크기의 입자상으로, 380 nm(나노미터, 10-9m) 파장의 자외선을 흡수한 후 530 nm 파장의 녹색 가시광선으로 변환시키는 역할을 한다. 그 결과, 페로브스카이트를 열화시키는 자외선을 원천적으로 차단함과 동시에 녹색 파장대에서의 광흡수를 추가적으로 증가시킴으로써 탠덤 태양전지의 광 변환효율까지 향상시킨 일석이조의 결과를 얻을 수 있다.

또 구형의 SiO2 나노 분말을 반사방지막에 추가적으로 첨가하여 전방산란(미 산란) 효과를 유도하였다. 이를 전산 모사로 분석했다. 분석 결과, 지름 100nm 크기의 SiO2 나노분말이 첨가되면 다중 산란 현상을 유발해 400nm 파장에서 113%, 750nm 파장에서 213%, 1100nm 파장에서 319%로 상승하는 빛 산란 효과를 유발한다. 이를 통해 형광체로부터 발생하는 후방 산란으로 인한 광 손실을 상쇄시키고 궁극적으로 반사방지막의 광 손실을 줄일 수 있다.

광 특성이 조절된 반사방지막을 이용한 탠덤 태양전지의 광 변환효율은 기존의 반사방지막 이용한 광 변환효율 보다 4.5% 증가됐다.

연구팀이 개발한 반사방지막은 형광체를 이용한 자외선-가시광 영역 에너지 변환 기술과 실리카 (SiO2) 나노 분말에 의한 산란 효과로 광학손실을 최소화한 장점을 동시에 가지고 있다. 또 자외선 영역으로부터 소자 성능 저하를 유발하는 물질들의 광 안정성을 확보 할 수 있었다.

자외선 영역 광 안정성 테스트 결과 고분자 필름 적용 전에는 5시간 후에 초기 효율의 90%로 떨어지다가 20시간 후 50% 수준으로 급격하게 줄어들었다. 반면 이 고분자 필름을 사용하면 120시간이 지나도 초기 효율의 91% 이상을 유지했다.

또 반사방지막을 적용한 탠덤 태양전지에 자외선을 조사하면, 형광체로 인하여 가시광 영역에서 에너지 발산으로 인하여 녹색을 띠는 특성도 있다. 반사방지막에 첨가되는 형광체를 자유롭게 조절해 다양한 색을 연출하면 태양전지의 미관도 개선할 수 있다. 

3. 기대효과

페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지뿐 아니라 반사방지막을 통해 광 손실을 최소화해야 하는 다양한 태양전지의 성능 향상에 많은 도움 될 것이다. 또 형광체를 도입하여 원하는 색상의 형광 반사방지막을 적용한 탠덤 태양전지 제작이 가능하여 심미성과 에너지 생산 장점을 동시에 만족해 다양한 응용 분야에 적용될 수 있을 것이다.

[붙임] 용어설명

1. 광전변환(photoelectric transformation, 光電變換)

빛 에너지를 전기 에너지로 변화시키는 일을 말한다. 주로 이 현상을 일으키기 위한 빛과 전기의 중개자로 광전효과(물질이 빛을 쬐었을 때, 물질 내부의 전자가 빛에너지를 흡수하여 광전자를 방출하는 현상)를 이용하는데, 태양전지를 비롯한 다양한 기기를 만들 때 사용되는 방법이다.

2. 밴드 갭(band gap)

반도체와 절연체에서, 가전자대와 전도대 간에 있는 전자상태 밀도가 제로로 되는 에너지 영역과 그 에너지 차. 에너지 갭이라고도 하며, 밴드 갭의 대소로 그 물질의 전기 전도도가 결정된다. 또 물질이 흡수하는 빛의 에너지 영역(파장대)도 밴드 갭에 의해 결정된다.

3. 기타 탠덤 태양전지 종류

다중접합을 이용한 ‘3-5족 화합물 반도체 탠덤 태양전지’는 2022년 미국의 연구센터 NREL(National Renewable Energy Laboratory)에서 보고한 ‘인듐갈륨인/갈륨비소/인듐갈륨비소(InGaP/GaAs/InGaAs) 삼중접합 태양전지’가 있다. 이 태양전지의 효율은 39.5%로 높지만, 비싼 재료와 공정 장비를 사용하기 때문에 제조 단가가 매우 높다. 현재 다중접합을 이용한 다른 유·무기 하이브리드 태양전지는 ‘염료감응 태양전지/구리 인듐 갈륨 셀레나이드(CIGS)’와 ‘비정질 실리콘(a-Si)/유기 태양전지’ 등 다양한 종류가 있지만, 이들의 광전변환 효율은 10% 내외에 머물러 상용화에 한계가 있다.

[붙임] 그림설명

그림1. a) 형광체와 실리카(SiO2) 나노 분말을 포함하는 고분자 반사방지막 구조도 b) 자외선 영역(λ = 365nm) 조사 전/후에 따른 고분자 반사방지막 실제 사진. 자외선을 흡수해 녹색으로 변함. c) 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지에 적용한 반사방지막 구조도, 그리고 d) 측면 전자현미경(SEM) 이미지

그림2. a) 전산모사(FDTD 시뮬레이션)를 한 단일 산란과 다중 모델의 구조도. b) 산란도 c) 선택 투과도

그림3. 반사방지막 조건에 따른 a) 투과도. 투과도가 작을수록 빛이 많이 흡수됐다는 의미다. b) 확산 투과도 c) J–V 곡선. J-V 곡선 안의 면적이 넓을수록 생산 가능한 전력량이 많다. d) 광흡수 IPCE(Incident photon to electron conversion efficiency, 들어간 광입자(빛) 대비 나온 전자 수) 특성 e) 450nm 이하로 확대된 IPCE 특성 그리고 f) 반사방지막이 적용된 탠덤 태양전지의 히스테리시스 분석. 태양전지 효율을 각각 정방향 (+1V에서–1V로)과 역방향(-1V에서 +1V)으로 측정 시, 효율의 차이가 있는 경우 히스테리시스가 있다 한다. 이번에 개발한 태양전지는 각각 정방향과 역방향에서 측정한 붉은색선과 검은색선이 거의 일치함하며, 이는 히스테리시스의 영향이 적음을 의미한다.