대구경북과학기술원(DGIST·디지스트)은 에너지환경연구부 양기정·김대환 책임연구원 연구팀이 인천대학교 김준호 교수팀과 함께 온도 조절만으로 친환경 태양전지의 효율을 크게 높이는 기술을 찾아냈다고 20일 밝혔다.
연구진은 소재를 열로 가공하는 과정에서 온도를 빠르게 높이면 결정이 더 규칙적으로 성장하고 전류 이동이 원활해진다는 사실을 확인했다. 안티모니 셀레나이드는 카드뮴이나 납과 같은 유해 물질을 전혀 사용하지 않고 지구상에 풍부하게 존재하는 안티모니와 셀레늄만으로 구성된 친환경 차세대 태양전지 소재다.
빛을 잘 흡수하고 열과 화학 반응에도 강해 튼튼하면서도 저비용으로 대량 생산이 가능한 친환경 에너지 소재로 주목받고 있다. 하지만 기존 안티모니 셀레나이드 소자는 결정이 제각각으로 자라는 방향성 등으로 인해 전자와 정공의 이동이 방해받아 효율이 떨어지는 문제가 있었다.
연구팀은 해결의 실마리를 결정이 자라는 속도에서 찾았다. 온도를 빠르게 높이면 결정이 일정한 방향으로 가지런히 서는 것을 발견했다. 결함이 줄어들면서 전기가 막힘없이 흐르고 효율이 크게 향상되는 것을 확인했다. 이처럼 단순한 온도 조절만으로도 소자의 성능을 근본적으로 개선할 수 있음을 밝혀냈다.
연구팀은 주사전자현미경, X선 회절, 자외선광전자분광법, 어드미턴스분광법 등 다양한 분석 기법을 통해 결함 특성을 정밀하게 규명했다. 그 결과 온도를 천천히 올릴 경우 결정이 제각각 형성돼 결함이 늘어나고 전하 이동이 방해받는 반면 빠른 속도로 공정을 진행하면 결정이 일정하게 배열돼 전기가 더 잘 흐르고 효율이 향상되는 것으로 나타났다. 결정 성장 속도를 높이면 결함을 줄이고 전자의 흐름을 단순화할 수 있다는 점을 실험적으로 입증한 것이다.
디지스트 에너지환경연구부 양기정 책임연구원은 “이번 연구는 안티모니 셀레아니드 태양전지의 핵심 한계였던 결정 방향성과 결함 문제를 해결할 수 있는 실마리를 제공했다”며 “공정 초기의 결정 성장 속도 제어만으로도 소재의 잠재력을 극대화할 수 있어 향후 상용화와 대면적 모듈 개발에 큰 기여를 할 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구는 디지스트 에너지환경연구부 이재백 박사·융합전공 바쉬로 카디리-잉글리쉬 박사과정생이 제1저자로, 양기정 책임연구원이 교신저자로 참여했다. 과학기술정보통신부 무탄소에너지기술핵심기술개발 사업, 산업통상자원부·한국산업기술진흥원 국제공동R&D사업 및 미래선도형특성화연구 사업을 통해 수행했으며, 에너지 분야 세계적 학술지인 재료 화학 저널 A에 9월 온라인 게재됐다.
대구=최일영 기자 mc102@kmib.co.kr
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