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Research

DGIST, CZTS계 박막태양전지 공인 세계 최고효율 달성

  • 조회. 772
  • 등록일. 2019.05.22
  • 작성자. 홍보팀

DGIST, CZTS계 박막태양전지 공인 세계 최고효율 달성
- DGIST 태양에너지융합연구센터, 세계최고수준 광전변환 효율 달성
- 저비용·친환경 소재를 활용하여 상용화에도 큰 기대

△DGIST태양에너지융합센터 김대환 센터장(왼쪽 두번째)와 연구진들

 

DGIST(총장 국양)는 세계 최고수준의 CZTS계 박막태양전지1) 광전변환2) 효율을 달성했다고 밝혔다. 이번 연구를 통해 향후 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 차세대 박막태양전지 산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

DGIST 태양에너지융합연구센터(센터장 김대환)는 박막태양전지의 광전변환 효율의 정식 공인 요건인 1cm2 면적 이상 범주에서는 종전기록인 호주의 뉴사우스웨일스대학교(UNSW)의 10.0%을 뛰어넘는 11.3%의 효율을 달성하였고, 최소 면적 요건이 없는 실험실 전지 범주에서는 미국의 IBM사의 기록과 동률인 12.6%를 기록하였다고 22일(수) 밝혔다.

CZTS계 박막태양전지는 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 셀레늄(Se), 황(S)을 구성 원소로 하는 CZTS계 화합물을 광흡수층 물질로 활용한 전지이다. 고가의 물질인 인듐(In)과 갈륨(Ga)을 사용한 CIGS 박막태양전지나 중금속인 납을 사용하는 페로브스카이트(Perovskite)3), 카드뮴 중금속을 사용하는 CdTe 박막태양전지와는 달리, CZTS계 박막태양전지는 저비용·친환경 소재를 사용한다는 점이 가장 큰 특징이다. 

DGIST 태양에너지융합연구센터 김대환 센터장은 “범용 저가 태양전지 소재라는 미래 원천 기술 분야에서, DGIST 태양에너지융합연구센터가 2건의 CZTS계 박막태양전지 공인 기록을 등재하여 우리 센터의 기술력을 세계적으로 인정받았다.”며, “앞으로도 주도적인 연구를 지속하여 향후 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 더 나아가 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다.”고 계획을 밝혔다.

한편 이번 공인 기록 2건은 권위 있는 태양전지 관련 전문지인 ‘Progress in Photovoltaics’ 저널에서 주기적으로 출판하는 태양전지 효율 테이블 최신 53판에 등재되었다.

 

1) CZTS계 박막태양전지 : 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 셀레늄(Se) 황(S)을 구성 원소로 하는 CZTS계 화합물을 광흡수층 물질로 활용하여 일관 공정으로 제조하는 2세대 태양 전지 기술. 기존 실리콘을 사용하는 1세대의 태양 전지보다 저가 화합물의 사용 및 일관 공정으로 처리하여 상용화가 유리하다. 
2) 광전변환 : 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 것.
3) 페로브스카이트(Perovskite) : 전기전도성이 뛰어난 결정구조로 메틸암모늄, 포름아미디늄과 무기물, 유기물 등을 섞어 만든 물질이다. 일반 태양전지와 마찬가지로 빛을 받으면 전자를 만들어내며 전기를 생산할 수 있다. 

 

 연구결과개요 

CZTS계 박막태양전지 공인 세계 최고 효율 달성 
(Progress in Photovoltaics, Solar cell efficiency tables (Version 53), Table 1 and Table 2 DGIST 기록 등재) 

관련 연구자 : DGIST 태양에너지융합연구센터 (손대호, 김승현, 김세윤, 김영일, 심준형, 박시내, 전동환, 황대규, 성시준, 강진규, 양기정, 김대환) 

 이번 연구성과에서는 CZTS계 박막태양전지 광전변환 효율의 정식 공인 요건인 1cm2 면적 이상 범주에서는 기존의 UNSW(호주) 기록 10.0%을 넘어 효율 11.3%를, 최소 면적 요건이 없는 실험실 전지 범주에서는 기존의 IBM(미국) 기록과 동률인 12.6%를 기록하였다. 기존의 IBM의 실험실 전지 기록은 폭발성이 높은 위험물인 하이드라진(Hydrazine, N2H4) 화합물을 사용한 공정으로 얻어져 2013년 보고되었으며, 일반적인 공정으로는 접근할 수 없었던 난공불락의 기록이었다. 이번에 DGIST는 양산화에 용이한 진공 공정을 사용하여 본 기록을 달성하였으며, 전 세계 연구자들이 고효율 CZTS계 물질을 보다 손쉽게 연구할 수 있는 방법을 제시하였다는 점에서 큰 의의가 있다.

  본 태양전지는 구리, 아연, 주석, 셀레늄, 황을 구성 원소로 하는 CZTS계 화합물을 광흡수층 물질로 활용한 전지이다. 기존 CIGS 태양전지에서 활용하는 고가의 인듐과 갈륨 대신 저가의 아연과 주석을 사용하고, 납을 사용하는 페로브스카이트나 카드뮴을 사용하는 CdTe 태양전지와 달리 광흡수층에 독성 중금속 원소를 함유하고 있지 않는 것이 특징이다. 무독성 저가 소재를 활용하기 때문에 현재는 태양전지 효율이 타 소재와 비교하여 상대적으로 낮은 편이나, 기존 상용 태양전지의 효율 수준으로 올리기 위해 한국, 유럽, 중국, 미국, 일본, 호주 등 국제적으로 상호 협력을 하면서 연구를 추진 중이다.


 연구결과문답 

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
CZTS계 박막태양전지의 광전변환 효율의 정식 공인 요건인 1cm2 면적 이상 범주에서 11.3%의 세계 최고 효율을 달성하였고, 최소 면적 요건이 없는 실험실 전지 범주에서는 12.6%를 기록하여 세계 최고 동률효율을 달성하였다. 이번 2건의 성과는 프로그레스 인 포토볼테익스 (Progress in Photovoltaics) 저널에서 주기적으로 출판하는 태양전지 공인 효율 테이블 최신 53판에 등재되었다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
본 태양전지는 구리, 아연, 주석, 셀레늄, 황을 구성 원소로 하는 CZTS계 화합물을 광흡수층 물질로 활용한 전지이다. 기존 CIGS 태양전지에서 활용하는 고가의 인듐과 갈륨 대신 저가의 아연과 주석을 사용하고, 납을 사용하는 페로브스카이트나 카드뮴을 사용하는 CdTe 태양전지와 달리 광흡수층에 독성 중금속 원소를 함유하고 있지 않는 것이 특징이기에 저비용·친환경 박막태양전지 상용화 생산에 매우 유리하다. 

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
무독성 저가 소재를 활용하기 때문에 현재는 태양전지 효율이 타 소재와 비교하여 상대적으로 낮아 당장의 상용화를 기대하기는 어렵다. 한국, 유럽, 중국, 미국, 일본, 호주 등에서 효율을 상용화 가능한 수준으로 올리기 위해 국제적으로 경쟁하면서 때로는 상호 협력하면서 연구하고 있기에 5년~10년 정도면 상용화를 기대할 수 있을 것이다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
기존 CIGS 태양전지에서 활용하는 고가의 인듐과 갈륨 대신 저가의 아연과 주석을 사용하고 있어 저가화가 가능하다. 또한 납을 사용하는 페로브스카이트나 카드뮴을 사용하는 CdTe 태양전지와 달리 광흡수층에 독성 중금속 원소를 함유하고 있지 않는 것이 특징이다. 잠재력이 큰 소재이기 때문에 성공한다면 큰 파급효과를 가져올 것으로 기대하면서 연구에 매진하였다. 

Q. 어떤 의미가 있는가?
기존의 IBM의 실험실 전지 범주 최고 기록은 폭발성이 높은 위험물인 하이드라진 화합물을 사용한 공정으로 얻어졌으나 본 공정은 양산화에 용이한 진공 공정을 사용하여 본 기록을 달성하였으며, 따라서 전 세계 연구자들이 고효율 CZTS계 물질을 보다 손쉽게 연구할 수 있는 방법을 제시하였다는 점에서 큰 의의가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
CZTS계 태양전지 효율을 획기적으로 높이기 위한 다양한 연구 테마들을 구상하고 있다. 단기적으로는 15% 수준의 효율을 얻는 것이 목표이다. 주도적인 연구를 지속하여 향후 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 더 나아가 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다.


 그림설명 
[그림 1] CZTS계 박막태양전지 소자 구조 모식도와 CdTe(독성물질포함), CIGS(고비용) 박막태양전지 물질과의 비교 

 

[그림 2] 진공공정 열처리시 CZTS계 흡수층 형성 메커니즘 모식도

 

 


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