DGIST 대구경북과학기술원

- DGIST 양기정·김대환·강진규, 인천대 김준호 공동연구팀, 어드미턴스 분광분석을 이용해 박막태양전지 특성 저하의 원인되는 흡수층 내 결함 에너지 준위 제시

- 박막태양전지의 고효율화를 위한 결함 식별 방법 제시

 DGIST(총장 국양) 에너지융합연구부 양기정·김대환, 박막태양전지연구센터 강진규 센터장 연구원팀은 인천대학교(총장 박종태) 물리학과 김준호 교수팀과 공동연구를 통해 케스터라이트 박막태양전지의 어드미턴스 분광분석을 통해 박막태양전지 특성 저하의 원인이 되는 흡수층 내 결함 에너지 준위를 제시하고 결함의 종류를 구체적으로 규명했다고 4일 밝혔다.

 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생하는 ‘태양전지’는 지속가능한 신재생 에너지로 실생활에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 그중에서도 케스터라이트 박막태양전지는 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄의 범용원소로 구성되어 자원의 편중과 수급 불안정 해소에 이점이 있다. 그러나, 현재까지도 효율이 낮아 산업 생태계 구축 및 시장 확대를 위해 극복해야 할 단점으로 지적받고 있다. 낮은 효율을 극복하기 위해서는 케스터라이트 광 흡수층 내에 존재하는 결함 특성에 대한 이해가 매우 중요하다.

 태양전지 광 흡수층 내 결함은 캐리어(전자-정공)의 재결합 손실의 원인이 되며, 결함 클러스터는 광 흡수층 내 밴드갭(에너지 흡수대) 변형의 원인이 되어 캐리어의 확산 길이와 수명을 단축시킨다. 이러한 특성에 영향을 미치는 결함과 결함 클러스터를 식별하는 것은 매우 중요하다.

 본 연구에서는 어드미턴스 분광분석(Admittance spectroscopy, AS)을 이용하여 깊이별로 표면이 연마된 케스터라이트 광흡수층 내의 결함 및 결함 클러스터 특성을 관찰했다. 이를 이용하여 광흡수층 내 원소 변화가 큰 영역에서 결함과 결함 클러스터의 형성이 쉽고, 150meV 이상의 깊은 에너지준위를 갖는 결함은 케스터라이트 박막태양전지 특성을 급격하게 저하시켰음을 확인했다.

 케스터라이트 박막태양전지는 캐리어의 이동도가 낮기 때문에 광흡수층 표면에서 결함에너지준위가 깊어짐에 따라 캐리어 확산 길이가 더욱 감소하게 되어 전류 특성이 감소되는 것을 확인했다. 이로 인해 결함에 기인한 밴드갭 변동의 큰 진폭은 높은 캐리어 재결합과 짧은 캐리어 수명을 유발해 전압 및 전류 특성이 감소되는 것을 특성 저하의 주요 원인으로 제시했다.

 본 연구는 케스터라이트 태양전지의 효율을 향상시키기 위해서는 광흡수층 계면에서 에너지 준위가 깊은 결함의 형성을 억제하는 것이 중요하고, 실험을 통한 결과로부터 깊은 에너지준위의 범위를 150 meV 이상으로 제시하고 결함의 종류를 구체적으로 확인한 연구결과로 그 가치가 매우 높다고 할 수 있다.

 DGIST 에너지융합연구부 양기정 책임연구원은 “이러한 연구 방법은 케스터라이트 박막태양전지 뿐만 아니라 여러 다른 태양전지 연구 분야에 대해 결함 특성을 이해하고 효율을 향상시킬 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”고 말했다.

 한편, 이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발(단계도약형 탄소중립기술개발) 및 미래선도형특성화연구(그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)) 사업을 통해 수행했으며, 에너지 분야 최상위 국제 학술지인 ‘카본 에너지 (Carbon Energy, IF=21.556)’에 3월 10일자 온라인 게재됐다.

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연구결과개요

Identifying the relationships between subsurface absorber defects and the characteristics of kesterite solar cells

Dae-Ho Son, Dong-Hwan Jeon, Dae-Hwan Kim, JinKyu Kang, Shi-Joon Sung, Jaebaek Lee, Taeseon Lee, Enkhjargal Enkhbayar, JunHo Kim*, Kee-Jeong Yang*

(Carbon Energy, on-line published on 10.03, 2023)

공간전하영역 근처 결함 특성을 이해하는 것은 CZTSSe/CdS 계면에서의 재결합 손실이 효율 저하의 주요 원인이기 때문에 중요하다. 케스터라이트 광흡수층 표면 연마를 통해 다른 원소 조성을 가진 CZTSSe 표면을 형성하고 어드미턴스 분광분석(Admittance spectroscopy, AS)을 이용하여 원소 조성 변화에 따른 공간전하영역 내의 결함 및 결함 클러스터를 식별하고 이러한 결함과 케스터라이트 박막태양전지 특성 간의 상관관계를 확인했다. 원소 변화가 큰 광흡수층 표면 근처에서 다양한 결함이 형성됨을 확인했다. 이 연구 결과에서 공간전하영역 내의 결함에너지준위가 증가함에 따라 효율, 전압, 전류 특성이 저하되었으며, 특히 150 meV 이상의 결함에너지준위를 나타내는 경우에서 빠르게 저하되었다. 깊은 에너지준위의 결함은 전자-정공 재결합과 밴드갭에서의 정전기적인 포텐셜 변동의 원인이 된다. 공간전하영역 내에서 결함에너지준위가 증가하게 되면, 낮은 캐리어 이동도를 가진 케스터라이트 광흡수층에서 캐리어 확산 길이가 급격하게 감소하게 된다. 케스터라이트 광흡수층 내 정전기적 포텐셜 변동의 큰 진폭은 캐리어 재결합의 증가와 캐리어 수명 단축의 원인이 된다. 따라서, 공간전하영역 내에서 150 meV 이상의 깊은 에너지준의의 결함은 케스터라이트 박막태양전지의 급격한 특성 저하의 원인이 된다. 이러한 연구 방법은 케스터라이트 박막태양전지 뿐만 아니라 여러 다른 태양전지 연구 분야에 대해 결함 특성을 이해하고 효율을 향상시킬 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

박막태양전지 흡수층 내의 결함은 효율 저하의 주요 원인이다. 그러나 광흡수층 내 결함에 대한 특성 분석은 광흡수층 표면에 대한 결과에 머물렀다. 이번 연구에서는 광흡수층 표면을 연마하여 광흡수층 깊이에 따른 결함을 식별하고 박막태양전지 특성과의 상관관계를 확인했다. 또한 광흡수층 내 여러 생성 가능한 결함 중에서도 박막태양전지 특성에 치명적인 영향을 미치는 결함의 에너지 준위 범위를 직접 제시했다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

박막태양전지 특성 저하의 주원인이 될 수 있는 에너지 준위를 갖는 결함을 구체적으로 확인함으로써 특성 향상을 위해 제어해야 할 결함을 식별할 수 있고, 이를 제어하기 위한 공정 개발에 활용할 수 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

태양광 에너지의 확보는 단순한 에너지 수급의 문제를 넘어서, 국가의 안정과 미래 주도권 확보에 밀접한 관련이 있다. 특히 발전단가 절감을 위한 신개념 기술을 먼저 확보하여 신재생 에너지 시장을 선점하려는 각국의 노력이 한창 진행 중이며, 이러한 노력들은 대부분 태양전지를 저가/고효율화하는 과제의 지속적인 해결이 필요하다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

국내의 경우 태양전지의 핵심원료가 되는 소재의 거의 전량이 수입에 의존하고 있어, 가격과 공급안정성 측면에서 모두 구조적 문제점을 갖고 있다. 따라서 태양전지 산업의 강화를 위해서는 원재료를 줄이거나 범용 소재로 대체되어야 한다. 케스터라이트 태양전지는 저가의 범용 소재를 사용하고 장기안정성을 만족시킬 수 있는 미래형 태양전지가 될 수 있다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

결함에 대해 광흡수층 전 범위에 걸쳐서 결함을 세밀하게 식별하고, 태양전지 특성에 영향을 주는 결함을 규명하는 것은 효율 향상을 위해 매우 중요하다. 기존에 광흡수층 표면상의 결함에 대한 분석을 광흡수층 내부로 확장할 수 있게 되어 광흡수층 내 조성-2차상-결함과의 상관관계를 구체적으로 확인할 수 있게 되어, 주요 결함을 제어하기 위한 광흡수층의 전구체 설계 및 열처리 공정 설계 등에 활용할 수 있다. 또한 잘 알려지지 않은 반도체 물질에 대해서 광범위하고 구체적인 결함 특성 연구에 적용이 가능하다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

본 연구를 기반으로, 결함과 태양전지 특성간의 상관관계 확인에 대한 구체적인 해석 방법을 제시하고, 이를 제어할 수 있는 공정 개발의 프로세스를 개발하여, 여러 태양전지 및 반도체 분야에 적용할 수 있는 기반 기술로 발전시키고자 한다.

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그림설명

[그림 1] 케스터라이트 광흡수층 깊이에 따른 결함 및 박막태양전지와 결함 에너지 준위의 상관 관계

(그림설명) 본 연구를 통해 케스터라이트 광흡수층 깊이 방향에 따른 결함 종류 및 박막태양전지와 결함에너지준위와의 상관관계이다. 광흡수층 깊이에 따른 결함은 공간전하영역에서 더욱 다양하고 복잡하게 형성된다. 이와 같이 공간전하영역에 존재하는 결함의 에너지준위와 결함 농도는 어드미턴스 분광분석을 통해 식별이 가능하다. 공간전하영역에 존재하는 결함은 150 meV 이상의 에너지 준위에 대해서 효율이 급격히 저하된다. 이는 캐리어 확산 길이와 수명의 감소에 기인하게 된다. 따라서 고효율을 위해서는 에너지 준위 150 meV 이상의 결함에 대한 제어가 필요하다.