태양전지는 반도체가 태양광 에너지를 흡수하면서 나타나는 전자의 흐름을 이용해 전기를 생산합니다. 얼마나 많은 태양광 에너지를 전기로 바꿀 수 있는지는 태양전지를 구성하는 물질에 달려있습니다. 물질마다 받아들일 수 있는 태양광 파장 영역이 정해져 있기 때문에 흡수되지 못한 에너지는 열로 손실되거나 버려지죠.
단일 접합 태양전지의 이론적인 광전변환율은 최대 34%로 제한돼 있습니다. 태양전지의 밴드 갭(band gap) 때문인데요. 여기서 밴드 갭이란 반도체와 절연체에서 가전자대와 전도대 간에 있는 전자 상태 밀도가 제로로 되는 에너지 영역과 그 에너지 차를 말합니다. 태양전지의 밴드 갭보다 에너지가 큰 광자가 들어오면 빛을 받아 생성된 전자-전공 에너지 중 남는 잉여분이 발생합니다. 이 에너지는 전기 생산에 이용되지 못하고 열 에너지로 변환됩니다. 뿐만 아니라 태양전지의 밴드 갭보다 에너지가 작은 광자는 아예 흡수되지 못합니다.
최근 과학자들은 태양전지의 효율을 더 높이는 방법으로 '탠덤(Tandem)' 기술을 연구하고 있습니다. 탠덤 기술이란 태양광 파장을 흡수하는 광흡수층을 둘 이상 사용해 서로 다른 영역의 태양광을 모두 활용하는 전략을 말하는데요. 이 태양전지의 이론적 효율은 최대 87%이라고 합니다.
UNIST(총장 정무영) 신소재공학부의 최경진 교수팀은 투명 전도성 접착층(TCA)을 이용하는 신개념 탠덤 태양전지를 개발했다고 합니다. <Nano Energy>에 게재된 논문에 따르면 연구팀은 전지를 만들 때 광흡수층으로 실리콘과 페로브스카이트를 사용해 효율성을 높였습니다. 또한 두 층의 연결부에 투명 전도성 접착층을 도입해 제조 과정도 단순화했습니다.
연구팀의 탠덤 태양전지는?
탠덤 태양전지는 광흡수층으로 두 가지 이상의 물질을 사용합니다. 각 물질이 받아들이는 태양광 파장이 다르기 때문에 흡수 가능한 에너지가 많고 따라서 효율도 높일 수 있죠. 문제는 서로 다른 광흡수층을 연결하는 방식입니다. 둘 사이가 매끄럽게 이어져야 에너지 손실도 줄기 때문인데요. 기존에는 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 박막 쌓아 올리는 방식으로 탠덤 태양전지를 제작했습니다. 하지만 이 경우 광흡수율을 높이기 위해 만든 실리콘 기판의 피라미드 구조 때문에 페로브스카이트 박막이 제대로 코팅되기 어렵다는 점이 한계였습니다.
연구팀은 현재 태양전지 시장에서 주류를 차지하는 '실리콘 기반 태양전지'와 '고효율 페로브스카이트(Perovskite) 태양전지'의 일반적인 적층형 탠덤 구조와는 다른 투명 전도성 접착층을 이용한 신개념 2터미널 탠덤 구조를 고안했습니다. 탠덤 태양전지는 접합부가 전기적으로 결합되는 방식에 따라 4터미널 구조와 2터미널 구조로 구분할 수 있는데요. 2터미널 구조 탠덤 셀의 경우 4터미널 탠덤 셀보다 이론적 효율이 높지만 각각의 밴드 갭을 최적화 해야 합니다. 직렬로 연결된 두 셀이 최고 효율로 동작하도록 광전류를 일치시키는 커런트 매칭(current matching)도 필요해 설계가 어렵다는 게 단점이죠.
이번 연구에서 연구팀은 태양전지에 광학 계산 기반 설계 기술과 동시에 투명 전도성 접착층을 도입했습니다. 연구팀은 상부와 하부의 최대 광전류를 맞추기 위한 다층구조 페로브스카이트 셀 광학 설계를 진행했습니다. 두 개의 태양전지를 접합하면 양쪽에 흐르는 태양광에 따른 전류가 달라질 수 있는데요. 이럴 경우 최적의 효율을 얻어낼 수 없습니다. 연구팀은 이에 양쪽 태양전지의 장점을 최대한 취할 수 있는 전류를 찾아 맞춘 셈이죠.
연구팀은 탠덤 태양전지에 맞는 최적 구조를 먼저 모델링했습니다. 실리콘의 밴드 갭은 조절할 수 없으므로 연구팀은 페로브스카이트 물질의 농도를 조절해 두께를 조절했습니다. 탠덤 태양전지를 이루는 두 개의 셀에 흐르는 광전류를 맞췄습니다.
탠덤 태양전지의 하부 셀로는 현재 태양전지 시장에서 모듈 발전 단가가 가장 낮은 p형(p-type) 실리콘 기반 '알루미늄 후면 전계(Aluminum Back Surface Field, Al-BSF) 태양전지'를 사용했습니다. 그 다음 고효율의 투명 페로브스카이트 태양전지를 상부 셀로 광 흡수를 극대화했고 각 상하부셀을 투명 전도성 접착층을 이용한 새로운 개념의 부착형 텐덤 구조를 개발했습니다.
투명 전도성 접착층(TCA)은 실리콘 기판에 있는 피라미드 구조 사이를 잘 메꿉니다. 덕분에 연구팀은 실리콘과 페로브스카이트의 층 사이를 매끄럽게 연결할 수 있었습니다. 또한 전도성 접착층 내부에 있는 은(Ag)이 코팅된 고분자 나노 입자들이 실리콘과 페로브스카이트 사이에 전자가 잘 이동하도록 도왔다고 합니다.
제1저자인 최인영 UNIST 신소재공학과 석사과정 연구원은 "기존 적층형 구조의 탠덤 태양전지와 달리 부착형 탠덤 태양전지를 개발했다는 데 의의가 있다"며 "투명 전도성 접착층은 서로 다른 광흡수층을 효과적으로 연결한다는 걸 확인했다"고 전했습니다. 이번 연구에 참여한 신성이엔지 홍근기 박사는 "적층형 탠덤 태양전지보다 훨씬 간편한 방식으로 제작할 수 있는 방식"이라며 "기존 실리콘 태양전지 제조 시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가능성이 크다"고 밝혔습니다.
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