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[신기술]‘신개념 탠덤 구조’로 단일 태양전지 돌파구 찾는다

2019-10-01

‘신개념 탠덤 구조’로 단일 태양전지 돌파구 찾는다 부착형 탠덤 셀로 고효율 태양전지 개발 태양에너지를 전기로 바꾸는 과정에서 버려지지 않고 얼마나 잘 쓰여지는가는 중요한 문제이다. 태양전지의 효율을 높이 는 방법으로 ‘탠덤(Tandem)’ 기술이 연구되고 있는데, 태양광 파장을 흡수하는 광흡수층을 둘 이상 사용해 서로 다른 영 역의 태양광을 모두 활용하는 전략이다. 이 탠덤 기술의 상용화를 앞당길 수 있는 방법을 국내 연구진이 개발해 주목받고 있다. 울산과학기술원(UNIST)이 ‘투명 전도성 접착층(TCA)’을 이용하는 신개념 탠덤 태양전지를 새로 개발했다. 이 태양전 지 개발을 통해 광흡수층으로 ‘실리콘’과 ‘페로브스카이트(Perovskite)’ 두 가지를 사용해 높은 효율을 얻었으며, 두 층의 연결부에 투명 전도성 접착층을 도입해 제조과정이 단순해져 상용화에 대한 기대감이 높아지고 있다. 정리 김향인 기자 \| 자료 울산과학기술원(UNIST) 태양전지를 만드는 방식 태양전지(solar cell)는 크게 ‘태양열 전지’와 ‘태양광 전 지’로 나눈다. 태양열 전지는 태양열을 이용해 터빈 (turbine)을 회전시킬 증기를 발생시키는 장치이고, 태 양광 전지는 반도체 성질을 이용해 햇빛을 전기에너지 로 변환시키는 장치다. 태양광 전지를 만드는 방식은 크게 ‘결정형’과 ‘박막형’ 두 가지가 있는데, 주로 많이 쓰는 방식이 ‘결정형’이다. 결정형은 광변환효율이 높다는 장점이 있지만 원재료 로 쓰이는 폴리실리콘의 가격이 비싸고 설치 장소도 제 한적이라는 단점이 있다. 반면, 박막형은 유리나 플라스틱 등의 판 위에 태양빛 을 전기로 바꾸는 특성을 지닌 특수화합물질을 얇게 바르는 방식이다. 결정형에 비해 광변환 효율이 떨어지는 단점이 있지만 폴리실리콘을 사용하지 않아도 되므 로 원가가 싸고, 건물 유리창 등에도 설치할 수 있다는 장점이 있다. 신개념 탠덤 태양전지 최근 울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부의 최경진 교수팀은 ‘투명 전도성 접착층(TCA)’을 이용하는 신개 념 탠덤 태양전지를 새로 개발했다고 밝혔다. 이 태양전지는 광흡수층으로써 ‘실리콘’과 ‘페로브스카 이트(Perovskite)’ 두 가지를 사용해 높은 효율을 얻었 으며, 두 층의 연결부에 투명 전도성 접착층을 도입해 제조과정을 단순화했다. 연구진은 무엇보다도 제조과 정이 간단해져 상용화에 대한 기대감을 갖고 있다. 태양전지는 반도체가 태양광 에너지를 흡수하면서 나타나는 전자의 흐름을 이용해 전기를 생산하는 장치 다. 얼마나 많은 태양광 에너지를 전기로 바꿀 수 있는 가 하는 효율성은 태양전지를 구성하고 있는 물질에 달 려 있다. 물질마다 받아들일 수 있는 태양광 파장 영역 이 정해져 있기 때문에 흡수되지 못한 에너지는 열로 손실되거나 버려지게 된다. 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 입자 들이 전류의 흐름을 도와준다. 광흡수 특성 최대화 단일 접합 태양전지의 이론적인 광전변환율은 최대 34%로 제한적이다. 태양전지라는 반도체가 가지는 밴 드 갭(band gap) 때문이다. 태양전지의 밴드 갭보다 에 너지가 큰 광자(빛 알갱이)가 들어오면 빛을 받아 생성 된 전자-전공 에너지 중 남는 잉여분이 생긴다. 이 에너 지는 전기 생산에 이용되지 못하고 열 에너지로 변환된 다. 또 태양전지의 밴드 갭보다 에너지가 작은 광자는 아예 흡수되지도 못한다. 이런 문제를 극복하기 위한 ‘탠덤 태양전지(Tandem Solar Cell)’는 밴드 갭이 다른 반도체 물질을 연속적으로 적층해 광흡수 특성을 최대화한다. 이 태양전지의 이론적 효율은 최대 87%로 알려져 있다. 탠덤 태양전지는 접합부가 전기적으로 결합되는 방식 에 따라 4터미널 구조와 2터미널 구조로 구분될 수 있 다. 2터미널 구조 탠덤 태양전지는 4터미널 구조보다 설 계와 제작이 까다롭지만, 사용되는 기판의 수가 적고 기판에 의해 손실되는 태양 스펙트럼을 감소시켜 광전 변환 효율이 높다. 투명 전도성 접착층 이용 연구팀은 현재 태양전지 시장에서 주류를 차지하는 ‘실 리콘 기반 태양전지’와 ‘고효율 페로브스카이트 태양전 지 ’ 의 일반적인 적층형 탠덤 구조와는 다른 투명 전도 성 접착층을 이용한 신개념 2터미널 탠덤 구조를 고안 했다. 2터미널 구조 탠덤 셀의 경우 4터미널 탠덤 셀보다 이 론적 효율이 높지만, 각각의 밴드 갭을 최적화해야 하 며, 직렬로 연결된 두 셀이 최고 효율로 동작하도록 광전류를 일치시키는 커런트 매칭(current matching)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 태 양전지를 접합하면 양쪽에 흐르는 태양광에 따른 전류 가 달라질 수 있고, 이 경우 최적의 효율을 얻어낼 수 없다. 따라서 양쪽 태양전지의 장점을 최대한 취할 수 있는 전류를 찾아 맞춘 것이다. 새로운 개념의 부착형 탠덤 구조 연구진은 이를 위해 탠덤 태양전지에 맞는 최적 구조를 먼저 모델링했다. 실리콘의 밴드 갭은 조절할 수 없으 므로, 페로브스카이트 물질의 농도를 조절하여 두께 를 조절해 탠덤 태양전지를 이루는 두 개의 셀에 흐르 는 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 가 지면서 투명한 페로브스카이트 태양전지를 상부 셀로 광흡수를 극대화하였고, 각 상하부 셀을 투명 전도성 접착층을 이용한 새로운 개념의 부착형 텐덤 구조를 개발해 냈다. 또한 투명 전도성 접착층을 활용해 기존의 적층형 텐 덤 구조를 대신할 신개념 텐덤 구조를 개발함으로써 탠덤 전지의 상용화 가능성을 열었다. 두 태양전지를 붙이다 탠덤 태양전지는 광흡수층으로 두 가지 이상의 물질 을 사용하게 된다. 각 물질이 받아들이는 태양광 파장 이 다르므로 흡수할 수 있는 에너지가 많고 따라서 효 율도 높일 수 있다. 그런데 문제는 서로 다른 광흡수층 을 어떻게 연결하느냐 하는 것이다. 두 물질의 사이가 매끄럽게 이어져야 에너지 손실도 줄일 수 있기 때문 이다. 지금까지는 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 박 막을 쌓아 올리는 방식으로 탠덤 태양전지를 제작해 왔다. 그런데 이 경우 광흡수율을 높이기 위해 만든 실 리콘 기판의 피라미드 구조 때문에 페로브스카이트 박 막이 제대로 코팅되기 어렵다는 문제가 있었다. 따라서 이번 연구에서는 각각 완성된 실리콘 태양전지 와 페로브스카이트 태양전지를 기계적으로 붙이는 간 단한 방법을 이용했다. 투명 전도성 접착층(TCA)이 실 리콘 기판에 있는 피라미드 구조 사이를 잘 메우기 때 문에 두 층의 사이가 매끄럽게 연결됐다. 또 전도성 접 착층 내부에 있는 은(Ag)이, 코팅된 고분자 나노 입자 들이 실리콘과 페로브스카이트 사이에 전자가 잘 이동 하도록 도왔다. 간편제작으로 가격경쟁력 높아 2터미널 구조의 탠덤 전지의 경우는 제작 방법이 까다 롭다는 문제점이 있다. 각각 제조된 서로 다른 광흡수 층을 갖는 두 개의 태양전지를 투명 전도성 접착층을 이용해 이어줌으로써, 커런트 매칭 기술 적용이 쉽고 제작이 간편해졌다. 기존 실리콘 태양전지 공정과 페로브스카이트 공정을 그대로 활용할 수 있기 때문에 상용화 가능성도 높다. 또한 이 제작 기술을 새로운 소재에 적용한다면, 고효 율을 갖는 탠덤 전지 개발이 가능할 것으로 연구진은 기대하고 있다. 이번 연구의 제1저자인 최인영 UNIST 신소재공학과 석사과정 연구원은 “기존 적층형 구조의 탠덤 태양전 지와 달리 부착형 탠덤 태양전지를 개발했다는 데 의 의가 있다”며 “투명 전도성 접착층은 서로 다른 광흡 수층을 효과적으로 연결한다는 것을 확인했다”고 밝 혔다. 연구에 참여한 신성이엔지 홍근기 박사는 “이번에 시도 한 것은 적층형 탠덤 태양전지보다 훨씬 간편하게 제작 할 수 있는 방식”이라며, “무엇보다도 기존 실리콘 태양 전지의 제조 시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가 능성이 크다”고 기대감을 표시했다. 실제로 이번 연구에서는 현재 제조 단가가 가장 낮은 실리콘 태양전지(p-Si Al-BSF Solar Cell)를 하부 태양 전지로 활용하여 가격 경쟁력도 확보할 수 있게 되었 다. 최경진 교수는 “하부 태양전지로 PERC 구조의 실 리콘 태양전지와 밴드 갭 조절 기술이 적용된 페로브 스카이트 태양전지를 적용한다면, 24% 이상의 고효율 탠덤 태양전지 개발도 가능하다”고 전망했다. 이번 연구는 에너지 분야에서 세계적 학술지인 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 8월 22일(목) 온라인판에 발표됐 다. 연구 수행은 한국에너지기술평가원의 에너지기술 개발사업과 동서발전의 지원으로 이뤄졌다. < Energy News >