기술과 솔루션
UNIST 최경진 교수팀, 유기 박막 쓴 고효율 실리콘 태양전지 최초 구현
작성자 : 취재부
2020-10-11 |
조회 : 1329
- 전지 제조 단순화로 가격경쟁력 확보 가능… Advanced Functional Materials 게재
물을 이용해 실리콘 태양전지의 제조공정은 단순화하면서도 전지 효율은 끌어올리는 기술이 나왔다. 이 기술로 전지의 무기물 구성층(후면 전계층)을 유기물로 대체한 실리콘 태양전지를 최초로 구현했다. 가격 경쟁이 치열한 실리콘 태양전지 분야에서 우위를 확보하는 데 기여할 것으로 기대된다.
제조된 태양전지의 구조(a) 및 물에 의한 유기 박막 내부 구조 정렬 전(b), 후(c) 비교
UNIST(총장 이용훈) 신소재공학과의 최경진 교수팀은 실리콘 태양전지의 ‘후면 분리막’(또는 후면 전계층)의 성능을 개선하고 제조공정은 단순화하는 기술을 개발했다.
분리막은 태양전지의 효율을 좌우하는 중요한 전지 구성층이다. 연구진은 유기물로 이뤄진 분리막에 물을 첨가하는 방식으로 성능은 높이고 고가의 전지 제조공정은 줄였다.
교신저자인 최경진 교수는 “유기 박막(강유전체)의 전기적 특성(전기장의 방향)을 조절하는 방식으로 n형·p형 실리콘 태양전지에 모두에 이 박막을 쓸 수 있다”며, “이번 연구로 유기 물질 박막의 고질적 문제인 온도·습도 불안정성도 해결해(1,000시간 구동 가능) 상용화 가능성이 밝다”고 기술에 관해 설명했다.
* 강유전체: 자발적 분극을 갖는 물질. 물질 내부의 전기쌍극자가 마치 자석에 반응하는 철 가루처럼 일정한 방향으로 정렬되는 현상을 분극이라 한다. 이로 인해 물질 내부에 전기장이 만들어진다. 강유전체는 전기가 통하지 않는 절연체다
* n·p 형 실리콘: 실리콘에 첨가하는 물질의 종류에 따라 n형(질소), p형(붕소)로 구분된다.
실리콘 태양전지 후면 분리막은 광(光) 생성 전자와 정공 간 재결합을 방지하는 중요한 역할을 한다. 태양광을 받은 광 활성층(실리콘, 페로브스카이트 등)이 전자와 정공을 내놓는데 이 전자(음전하, -)와 정공(양전하, +)이 결합해 사라지는 것을 막는다. 전지가 생산하는 전력량은 전자와 정공 양이 결정하므로 전지 효율을 높이려면 이들의 재결합을 효과적으로 막는 분리막이 필요하다.
* 전자(electron): 음전하를 가지고 있는 기본 입자
* 정공(hole): 전자의 빈(空) 상태를 나타내는 가상의 입자이다. 전자와는 반대로 양전하를 갖는 전하 운반체로서 전기장 자기장 등의 외부력에 반응한다.
유기 박막의 내부 구조
다공성 유기 박막의 전자 현미경 이미지 및 스침각 X선 회절 패턴
a. 일반적인 제작된 유기 P(VDF-TrFE) 박막 b. 물을 이용해 만든 다공성 유기 P(VDF-TrFE) 박막. 내부의 박막 구조가 잘 정렬되어 있고, 개별 내부조직의 크기가 눈에 띄게 커진 것을 확인할 수 있음. c. 일반적으로 제작된 유기 P(VDF-TrFE) 박막 및 d. 다공성 유기 P(VDF-TrFE) 박막의 스침각 X선 회절 패턴. 다공성 유기 박막에서는 (200)에 해당하는 X선 강도(intensity)가 집중되어 있으며, 높은 결정성을 상징하는 (100)이 관찰 가능함.
최교수 연구팀은 유기물 강유전체 박막에 미량의 물을 첨가해 분리막의 효율을 높였다. 기름처럼 물을 싫어하는 유기 박막에 물을 첨가하면 수 마이크론(μm, 10-6) 길이의 파이버 형상 유기물 입자가 조밀하고 규칙적인 구조로 정렬된다. 미세구조가 정렬됨에 따라 전자는 끌어당기고 정공은 밀어내는 힘이 더 커져 분리막의 성능이 좋아진다.
전자, 정공 숫자(유효 캐리어) 비교
무기 박막(SiO2, SiNx) 및 유기 박막(P(VDF-TrFE, 향상된 분극의 P(VDF-TrFE)가 코팅된 a. p 형 및 b. n 형 실리콘의 유효 캐리어(전자와 정공) 수명. 유효 캐리어 수명이 길수록 재결합을 효과적으로 방지할 수 있음을 의미함. c. 기존에 보고된 무기 박막들의 재결합 속도와 본 연구에서 제안한 유기 박막의 재결합 속도 비교. 기존에 보고된 무기 박막과 비교 가능할 만큼 매우 낮은 재결합 속도를 보임. 재결합 속도가 느릴수록 유효 캐리어 숫자가 증가함.
태양전지의 구조 및 유한시차분석법을 이용한 박막의 효과 규명
a. 유기물(PEDOT:PSS)-실리콘-유기물(P(VDF-TrFE) 하이브리드 태양전지의 모식도. b. P(VDF-TrFE) 유기 박막의 유무에 따른 태양전지의 효율 그래프. 18.37%의 효율을 나타냄. c. 유한차분시간영역법을 통한 유기박막(VDF-TrFE)의 효과 규명
또 전지 제조과정 중 분리막에 ‘구멍’을 뚫는 고가의 공정이 필요 없다. 분리막은 전기가 통하지 않는 물질이라 구멍을 뚫어 전자와 정공의 통로를 만들어 줘야 한다. 반면 새롭게 개발된 분리막은 첨가됐던 물을 증발시켜 제거함으로써 그 자리에 구멍을 쉽게 만들 수 있다.
제1저자인 UNIST 신소재공학부 강성범 연구원은 “유기 박막 내부 미세구조의 정렬 현상(결정성 증가)을 발견하고, 이를 이용한 실리콘 태양전지 제조 방식을 고안했다”고 설명했다.
최교수는 “이번 연구로 무기물에 한정돼 있던 실리콘 태양전지 후면 전계층 기술을 유기물로 확장했다”며, “고가의 진공 장비가 필요한 무기 박막 태양전지와 달리 유기 박막을 쓸 경우 공정이 간편해져 가격경쟁력을 갖춘 태양전지를 만들 수 있을 것”이라고 전망했다.
이번 연구는 소재 분야의 세계적 학술지인 ‘Advanced Functional Materials’에 9월 13일 자로 온라인 공개됐다. 연구수행은 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업의 지원으로 이뤄졌다.
* 논문명: Ambipolar passivated back surface field layer for Silicon photovoltaics
자료문의: 신소재공학과_최경진 교수(052)217-2337
