Special 차세대 탠덤 태양전지 소재 및 모듈 기술 개발 동향(2)

차세대 All-Perovskite 탠덤 태양전지의 결함 제어 기술 개발 동향

강세현_성균관대학교 나노과학기술학과 석사과정

신성식_성균관대학교 나노과학기술학과 부교수

1. 서론

유무기 페로브스카이트 태양전지(Perovskite Solar Cells, PSCs)는 우수한 광특성과 저비용 용액 공정이 가능하다는 장점으로 단기간에 효율 26%를 돌파하며 비약적으로 발전하였다. 그러나 단일 접합 태양전지는 페로브스카이트의 밴드갭보다 에너지가 작은 빛은 투과되고, 에너지가 큰 빛은 열로 소실되는 한계가 있다. 이러한 투과 손실과 열적 손실로 인해 단일 접합 태양전지는 Shockley-Queisser(S-Q) 이론적 효율 한계에 직면해 있다. 근본적인 효율 한계를 극복하기 위해서는 서로 다른 밴드갭을 가진 두 개 이상의 광흡수층을 사용하는 탠덤 태양전지 기술이 필수적으로 요구된다. 그림 1은 대표적인 페로브스카이트 기반의 탠덤 태양전지 모식도이다. 대표적으로 페로브스카이트/실리콘 이종접합 탠덤, 페로브스카이트/CIGS 이종접합 탠덤, 페로브스카이트/페로브스카이트 동종접합 탠덤 태양전지가 가장 활발히 연구되고 있다.

그림 1. 대표적인 페로브스카이트 탠덤 태양전지의 입체 단면도 a) 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지 b) 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지 c) 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지[1,2,3]

  National Labortory of the Rockies(NLR)가 집계한 태양전지 최고 효율 차트에 따르면, 2025년기준으로 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지, 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지, 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지의 최고 공인 효율은 각각 35%, 26.3%, 30.1%의 효율을 기록하였다[4]. 그림 2는 다양한 페로브스카이트 기반 탠덤 태양전지의 효율 발전 현황을 보여준다. 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지는 가장 높은 효율에 도달해 상용화에 가장 근접해있 으나,실리콘 웨이퍼 기반의 구조적 특성상 유연하거나 반투명한 소자로의 제작이 어려워 다양한 응용 분야로의 확장에 한계가 있다. 반면 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지는 가볍고 유연하다는 장점이 있으나, CIGS 광 흡수층에 포함된 인듐(In), 갈륨(Ga) 등의 희귀 금속 사용으로 인해 원자재 비용이 높다는 한계가 있다. 앞서 언급한 두 이종접합 탠덤 태양전지의 한계를 동시에 극복할 수 있는 대안으로 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지가 주목받고 있다. 그림 3에서 보듯, 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지는 상부 셀에 넓은 밴드갭 페로브스카이트(Wide Bandgap, WBG), 하부 셀에는 좁은 밴드갭 페로브스카이트(Narrow Bandgap, NBG)를 광흡수층으로 사용한다. 두 층 모두 저온 용액 공정으로 제작이 가능하므로 단가가 낮고 롤투롤 방식으로대량 생산에서 유리하다. 또한, 투명도 조절이 가능하고 가볍고 유연하게제작할 수 있어웨어러블 기기나건물일체형 태양전지(BIPV) 등 다양한 응용 분야로의 확장이 기대된다. 

그림 2. 2016년~2025년 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지, 페로브스카이트/CIGS 탠덤 태양전지, 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지 효율 그래프(NRL)[4]

  그러나 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지가 이론적 한계 효율에 도달하기 위해서는 각 서브 셀 내부와 계면 사이에 존재하는 결함을 효과적으로 제어하는 것이 필수적이다. 본 글에서는 고효율 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지 구현을 위해 상∘하부 셀에서 발생하는 결함을 분석하고, 이를 제어하기 위한 최신 결함 제어 기술 동향을 소개하고자 한다.

그림 3. 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지의 두 개의 광흡수층이 각각 흡수하는 파장대 모식도[5]

2. 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지 내 결함

용액 공정으로 제조되는 페로브스카이트 박막은 특성상 결함 형성은 불가피하다. 이러한 결함은 비방사성 재결합을 유도하여 태양전지의 개방전압 손실과 장기 안정성 저하를 초래한다. 이하에서는 페로브스카이트/페로브스카이트 탠덤 태양전지 내결함의 종류를 분류하고, 넓은 밴드갭(WBG) 셀과 좁은 밴드갭(NBG) 셀에서 각각 나타나는 고유한 결함 이슈를 검토한다. 

2-1. 결함의 분류

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 5월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>