차세대 태양전지, 은(Ag) 도핑 기술로 더욱 강력해진다

DGIST(총장 이건우) 에너지환경기술학부 양기정, 김대환, 강진규 등 선임연구원팀은 인천대 물리학과 김준호 교수팀, 전자재료공학과 구상모 교수팀과 공동연구를 통해 케스테라이트(CZTSSe) 박막 태양전지의 성능을 크게 개선했다. 이들은 태양전지에 은(Ag)을 도핑해 전지 성능을 저해하는 결함을 억제하고 결정성장을 촉진하는 새로운 방법을 개발해 효율을 획기적으로 높이고 상용화의 길을 열었다.

CZTSSe 태양전지는 구리(Cu), 아연(Zn), 주석(Sn), 유황(S), 셀레늄(Se)으로 구성되어 있으며, 자원이 풍부하고 저렴하며 친환경적인 태양전지 기술로 주목을 받고 있다. 특히, 기존 태양전지에 사용되는 희소 금속 대신 자원이 풍부한 소재를 사용하기 때문에 대량 생산에 적합하고 가격 경쟁력이 높다는 장점이 있다. 하지만 기존 CZTSSe 태양전지는 전자-정공 재결합으로 인해 효율이 낮고 전류 손실이 높아 상용화에 어려움이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 연구팀은 태양 전지 전구체를 Ag로 도핑하는 방법을 채택했다. Ag는 Sn 손실을 억제하고 저온에서 재료가 더 잘 섞이도록 돕는다. 이를 통해 결정이 더 크고 더 빨리 성장하여 결함을 줄이고 태양 전지의 성능을 개선할 수 있다. 이 연구에서 그들은 전구체의 다른 위치에 Ag를 배치하면 태양 전지의 결함과 전자-홀 재결합 특성이 어떻게 변하는지 체계적으로 분석했다. 결과에 따르면 Ag는 Sn 손실을 방지하고 결함 억제 효과를 극대화하여 태양 전지의 성능을 크게 개선할 수 있다.

중요한 점은, 그들은 또한 잘못된 곳에 Ag를 도핑하면 실제로 Zn과 Cu 합금의 형성을 방해하여 Zn이 벌크에 남아 결함 클러스터를 형성한다는 것을 발견했다. 이는 전자-홀 재결합 손실이 증가하고 성능이 저하될 수 있다. 이를 통해 연구팀은 중요한 통찰력을 제공했다. 태양 전지 성능은 Ag 도핑이 발생하는 위치에 따라 크게 달라진다.

또한 연구팀은 Ag 도핑으로 형성된 액상 물질이 결정 성장을 촉진하여 흡수층의 밀도와 결정성을 크게 개선한다는 것을 발견했다. 이는 에너지 밴드 구조가 개선되고 결함이 줄어들어 궁극적으로 셀에서 전하 이동이 더 원활해질 수 있게 했다. 이러한 발견은 저비용으로 고성능 태양 전지를 생산하는 데 크게 기여할 것으로 기대된다.

에너지 및 환경 기술부의 수석 연구원인 양기정은 "이번 연구에서는 이전에 명확하게 밝혀지지 않았던 Ag 도핑의 효과를 공정별로 분석한 결과, 은이 주석 손실을 억제하고 결함을 개선하는 역할을 한다는 것을 발견했다."고 말하면서 "이 결과는 태양 전지 효율을 개선하기 위한 은 도핑 전구체 구조의 설계에 중요한 통찰력을 제공하며 다양한 태양 전지 기술 개발에 기여할 것으로 기대된다."고 덧붙였다.

이 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발(Leapfrog Development of Carbon Neutral Technology) 사업과 미래선도형특화연구(Grand Challenge Research and Innovation Project (P-CoE)) 사업의 지원을 받아 수행되었으며, 논문은 에너지 분야의 선도적 국제 저널인 Energy & Environmental Energy(IF 32.4)에 온라인으로 게재되었다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2024/10/241025122744.htm