박막태양전지 내 전자-정공 분리 원인 규명해 전지 효율 높인다

케스터라이트 유연 박막 태양전지의 구부린 샘플 이미지. (자료제공: DGIST)

대구경북과학기술원(DGIST, 총장 이건우)은 에너지환경연구부 양기정·김대환·강진규 책임연구원팀이 이화여대 물리학과 조윌렴 교수팀, 인천대학교 물리학과 김준호 교수팀, MIT 기계공학과 남상훈 박사 연구팀과 공동연구를 통해 케스터라이트 박막태양전지의 광흡수층에서의 전자-정공 분리 특성을 규명했다고 지난달 17일 밝혔다. 이번 연구를 통해 태양광 전지의 효율을 높이고 친환경 에너지의 사용을 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.
태양전지는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생시키는 장치로 친환경적이며 무한한 태양광 자원을 활용할 수 있어 차세대 주요 에너지 자원으로 주목받고 있다. 이 중, ‘케스터라이트 박막태양전지’는 구리, 아연, 주석 등의 재료로 만들어져 자원의 편중이 없고 경제적이라는 장점을 갖고 있다. 그러나 현재까지의 연구에도 불구하고 케스터라이트 박막태양전지의 효율은 여전히 상대적으로 낮은 수준에 머물러있다.
케스터라이트 박막태양전지는 태양에서 발생한 빛을 흡수해 전자와 양공을 생성하는데, 전자와 양공이 서로 다시 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.
이에 본 연구에서는 원자 현미경(Scanning Probe Microscopy)을 사용하여 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 이동하여 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.
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.
에너지환경연구부 양기정 책임연구원은 “기존의 태양전지 연구 분야에서 원자 현미경 분석이 광흡수층의 표면에 국한되었다면, 본 연구에서는 광흡수층 전체에 걸쳐 분석할 수 있는 방법과 그 결과를 제시한 사례로 그 가치가 높다고 할 수 있다”며 “본 연구에서 시행한 원자 현미경 연구 방법은 박막태양전지 뿐만 아니라 여러 다른 분야에서 캐리어 거동 특성을 이해할 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.
이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발 및 미래선도형특성화연구 사업의 지원을 받아 수행됐다. 연구결과는 에너지 분야 최상위 국제 학술지인 ‘Carbon Energy’ 3월호에 Back cover로 게재됐다.