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Research

DGIST, 차세대 박막태양전지의 효율 높일 핵심원리 규명

  • 조회. 203
  • 등록일. 2020.06.14
  • 작성자. 홍보팀

- CZTS 박막태양전지 공정 중 광흡수층 합성에 필요한 액상 최초 발견
- 미래 태양광 기술 및 차세대 박막태양전지 연구의 기폭제 역할 기대

 

박막태양전지연구센터 강진규 센터장(오른쪽 앞), 김대환 책임연구원(왼쪽 앞)과 연구진들

<박막태양전지연구센터 강진규 센터장(오른쪽 앞), 김대환 책임연구원(왼쪽 앞)과 연구진들>


 국내 연구진이 미래 친환경 에너지원인 차세대 박막태양전지의 효율을 더욱 높일 수 있는 핵심원리를 찾아냈다. 이번 연구를 통해 향후 미래 태양광 기술과 차세대 박막태양전지 산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

 DGIST는 박막태양전지연구센터 강진규 박사 연구팀이 CZTS 박막태양전지 공정 과정에서 광흡수층 합성에 필요한 입자의 성장을 돕는 액상(L-CTSe)을 최초로 발견했다고 14일 밝혔다. 

 환경오염문제와 더불어 신재생 에너지 개발은 매우 중요한 국가적 화두다. 이 중 태양에너지는 매우 주목받는 대체에너지이며, 저비용, 무독성 소재를 활용한 차세대 태양전지 연구가 전 세계에서 활발히 진행 중이다. 

 DGIST 박막태양전지연구센터에서 개발 중인 CZTS 박막태양전지는 저렴하고 독성이 거의 없는 구리, 주석, 아연을 주요 소재로 활용한다. 고가의 인듐, 갈륨이 소재인 CIGS 박막태양전지나 유독성 중금속인 납을 포함되는 페로브스카이트와는 달리 대량 생산이 용이한 장점이 있다. 특히 DGIST 연구팀이 보유하고 있는 CZTS 박막태양전지 광전변환효율1)은 세계최고 수준인 12.6%를 기록하고 있으며, 상용화 연구에 앞장서고 있다.

 CZTS 박막태양전지는 유리기판 위에 관련 소재인 몰리브데늄, 아연, 구리, 주석을 넣고 진공 공정으로 얇은 박막을 형성시킨다. 이 금속 박막은 열처리 과정을 통해 합성되면서 태양광을 흡수하는 광흡수층으로 만들어진다. 연구팀은 이 과정에서 박막 내부에 구리, 주석, 셀레늄이 함유된 액상이 발현하는 것을 발견했는데, 이는 광흡수층의 형성과 연관이 있음을 추측했다.

 연구팀은 액상이 포함된 박막 내부에서 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄으로 구성된 여러 크기의 입자들을 관찰했다. 작은 입자들은 액상에 쉽게 녹아 큰 입자들과 결합하면서 큰 입자는 더욱 더 크게 성장했다. 이렇게 성장한 입자들은 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄 화합물로 구성된 광흡수층으로 형성되었다. 이를 통해 액상이 광전변환 효율을 좌우하는 입자 형성에 기여하는 것을 최초로 규명했다. 또한 액상을 제어할 경우 저온에서도 큰 입자가 성장해 광흡수층을 형성할 수 있음을 추가로 제시했다.

 박막태양전지연구센터 김대환 책임연구원은 “액상이 식으면서 발생하는 고체 상태인 잔류물질이 입자 경계에 일부 존재하는 것을 확인했다”며 “추가연구를 통해 이를 제거한다면 소자 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것”이라고 말했다. 강진규 센터장은 “앞으로도 범용소재를 활용하는 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다.”고 소감을 밝혔다. 

 이번 연구는 김세윤 연구원과 손대호 연구원이 주저자로 참여했고, 에너지 분야 국제학술지인 ‘어드밴스드 에너지 머티리얼즈(Advanced Energy Materials)’ 4월 14일 표지논문으로 게재됐다. 이 연구는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원이 지원한 ‘범용무독성 광흡수층 기반 플렉시블 무기 박막태양전지개발’ 과제로 수행됐다.

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1) 광전변환(光電變換) : 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 것.

 

 

    연구결과개요 

Effect of Cu-Sn-Se Liquid Phase on Grain Growth and Efficiency of CZTSSe solar cells

Se-Yun Kim1, Dae-Ho Son1, Seung-Hyun Kim, Young-Ill Kim, Sammi Kim,  Kwangseok Ahn, Kee-Jeong Yang, Jin-Kyu Kang*, Dae-Hwan Kim*
(Advanced Energy Materials, published on 14th April, 2020)

 Cu2ZnSn(S1-xSex)4 (CZTS)는 널리 알려진 CIGS에서 희토류 원소인 In 과 Ga 대신 범용원소인 Zn 와 Sn을 치환한 무독성 친환경 광전소재이며, 미래 친환경 박막태양전지 소재로서 잠재력이 크다. 이 논문에서는, CZTS 박막태양전지 세계최고 효율을 얻은 바 있는 공정을 활용해 합성한 CZTS 박막 내부에 Cu, Sn 및 Se를 함유하는 액상(L-CTSe)이 존재하는 것에 대해 보고한다. CZTS 합성 과정에서 별도의 첨가물 없이도 L-CTSe 상에 의해 액상입자성장이 일어날 수 있음을 제시하였다. 그 증거로 bimodal grain size 분포와 비정상입자성장에 의한 미세구조 및 잔여액상의 조성분석을 제시하였다. 이런 성과를 인정받아 세계적인 학술지인 ‘어드벤스드 에너지 머터리얼 (Advanced Energy Materials)’에 4월 14일자 게재되었으며, 표지논문으로 채택됐다. 
 CZTS 태양전지는 범용 친환경 소재인 Cu, Zn, Sn을 주요 소재로 사용하고 있어 ‘범용 소재 (earth-abundant)’ 태양전지의 대표주자이다. 범용 소재를 활용하여 소자를 제작하기 때문에 최근 이슈화 되고 있는 자원의 무기화 우려로부터 자유롭다. 저가·무독성 소재로 제한되면서 타 소재를 활용한 태양전지보다 효율이 상대적으로 낮은 편이지만, 잠재력이 큰 태양전지이기 때문에, 한국, 유럽, 중국, 미국, 일본, 호주 등의 유수 그룹들이 국제적으로 상호 협력을 하면서 지속적인 연구를 하고 있다.
 환경에 대한 관심이 높아지고 자원이 무기처럼 사용되는 지금, 범용·친환경 소재를 활용한 CZTS 박막태양전지 분야에서 우수한 성과를 낸 것은 의미가 크다. DOI 10.1002/aenm.201903173


    연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
CZTS 광흡수층 합성 시, 추가 첨가물 없이도 열처리 공정 중에 액상이 형성되어 CZTS 액상입자성장이 일어날 수 있다는 것을 처음으로 발견하였다. 기존에도 몇몇의 첨가물을 추가할 경우, 큰 입자가 관찰되어 액상입자성장이 일어날 것으로 예상된 바 있었으나, 직접적인 증거를 찾지 못했다. 본 연구그룹에서는 처음으로 직접적인 데이터와 모델실험을 통해 액상입자성장 과정을 규명하였고, 액상 잔여물에 대한 영향을 제시한 것에 의미가 있다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
본 태양전지는 과거부터 널리 사용하던 청동(구리, 주석), 황동(구리, 아연)과 황, 셀레늄을 원료로 하는 태양전지이다. 고가의 원료(인듐, 갈륨)를 사용하는 CIGS, 유독성 원료(카드뮴)를 사용하는 CdTe, 중급속(납)을 사용하는 페로브스카이트와 달리 저렴하고 무독성 원료를 사용하는 만큼 태양전지가 대량 생산 및 보급될 것으로 예측되는 미래형 태양전지로 주목을 받고 있다.
액상입자성장을 통할 경우 저온에서도 큰 입자를 합성할 수 있다. 결과적으로 고품질의 CZTS를 저온에서 합성할 수 있는 핵심기술로 응용될 것이다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
무독성, 저가 원료를 사용하여 다른 박막 태양전지에 비해 비교적 낮은 효율을 갖고 있다. 따라서 당장 실용화가 어렵지만, 한국, 유럽, 미국, 일본, 호주 등 국제적인 연구가 경쟁 및 상호 협력 관계 속에서 활발히 이뤄지고 있는 만큼, 5~10년 내에 상용화가 가능한 연구 성과들이 나올 것으로 기대되고 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
상용화된 CIGS 박막 태양전지는 희소 금속인 인듐 갈륨을 사용하기 때문에 문제가 되며, CdTe나 페로브스카이트 태양전지는 독성 물질인 Cd와 Pb의 사용으로 활용에 한계를 지닌다. 범용, 무독성 원료를 이용한 태양전지를 개발한다면, 미래에도 안정적이고 저렴한 가격으로 태양전지를 생산하고, 안전하게 사용할 수 있을 거란 생각에 친환경 범용소재를 이용한 CZTS 박막태양전지 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
 본 연구그룹에서는 처음으로 직접적인 데이터와 모델실험을 통해 액상입자성장 과정을 발견하였고, 액상 잔여물에 대한 영향을 제시한 것에 의미가 있다. 액상입자성장을 제어할 경우 저온에서도 큰 입자를 안정적으로 합성할 수 있기 때문에, 고품질의 CZTS 광흡수층을 저온에서 형성할 수 있는 핵심기술로 응용될 것이다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
CZTS계 태양전지의 효율을 실용화 가능한 수준까지 올리는 것이 목표이다. CZTS계 태양전지는 범용, 무독성이라는 이점을 바탕으로 미래의 태양전지가 되기 위한 충분한 잠재력을 갖고 있다. CZTS계 태양전지의 상용화를 앞당기고, 나아가 태양전지 산업 발전에 이바지하는 목표를 이루고 싶다.


     그림 설명 

(그림 1) CZTS 광흡수층 및 태양전지의 단면에서 관찰된 두 종류의 입자 크기 분포 및 액상잔여물

CZTS 광흡수층 및 태양전지의 단면에서 관찰된 두 종류의 입자 크기 분포 및 액상잔여물
(그림설명) 왼쪽 그림은 두 종류의 입자크기 분포를 가지는 CZTS 박막을 나타내며, 중간 그림은 입자 계면에 존재하는 비정형의 잔여물을 나타냄. 오른쪽 그림은 액상을 통해 물질이동이 일어나 입자가 쉽게 성장하는 과정을 보여줌 
 

(그림 2) 4월 14일자 'Advanced Energy Materials' 표지논문으로 게재되었다.

4월 14일자 'Advanced Energy Materials' 표지논문으로 게재되었다.

 
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