인천대 연구팀, 케스트라이트 CZTSSe 박막태양전지 고효율 방안 제시

[이뉴스투데이 인천취재본부 조동옥 기자] 인천대학교 물리학과 김준호 교수 연구팀은 비진공 수용액 스프레이 방법으로 케스트라이트 CZTSSe 박막 태양전지의 효율을 획기적으로 올릴 수 있는 방법을 제안했다.

케스트라이트 Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) 태양전지는 지구상에 풍부한 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 황(S), 셀레늄 (Se)으로 구성된 태양전지로서, Cu(In,Ga)Se2 태양전지를 대체하기 위해서 전세계적으로 연구가 활발하다. 하지만, Cu(In,Ga)Se2 태양전지에 비해서 광전변환효율이 낮은편이고, 최근까지 13 % 이상의 효율 달성이 힘들었다

 CZTSSe 광흡수층의 내부와 표면에 존재하는 결함이 태양전지 효율을 저하시키는 제한 인자로 알려져 있다. 인천대 연구팀은 태양전지 광흡수층 내부와 표면의 결함을 줄이기 위한 듀얼 트리트먼트 (dual treatment) 방법을 제안했다.

미량의 은(Ag)을 광흡수층에 합금하고, 광흡수층 표면에 산화알루미늄(Al2O3)을 원자층 증착방법(atomic layer deposition)을 통해 증착할 경우, 태양전지 효율이 증가됨을 발견하고 그 원인을 규명했다.

Ag-합금은 광흡수층 내의 결함 밀도를 줄이고 또한 결정입계 (grain boundary) 근방의 원소분포 불균일도를 줄이는 역할을 한다. 한편, Al2O3-원자층 증착 공정은 pn 접합 계면에서의 물질 상호확산을 방지하는 역할을 함을 투과전자현미경 분석을 통해서 밝혔다. 연구팀은 제안된 듀얼 트리트먼트가 태양전지의 충전율 (fill factor)을 개선해서 광전변환효율을 증가시키는 효과를 가져다 줌을 보였다.

인천대 연구팀은 듀얼 트리트먼트 방법을 통해서 세계 최고효율 수준인 13.33 %의 광전변환효율을 달성해다. 관련연구 결과는 세계적 학술지인 Advanced Energy Materials (impact factor=27.8) 온라인 판 지난 10일자에 “High Efficiency Kesterite Solar Cells Through a Dual Treatment Approach: Improving the Quality of both Absorber Bulk and Heterojunction Interface” 제목으로 게재됐다.

관련 연구는 한구연구재단의 중견연구자지원사업과 단계도약형 탄소중립기술개발사업의 지원을 받고 수행됐다.