대구경북과학기술원(DGIST·총장 국양)은 박막태양전지연구센터(센터장 강진규)가 경남대학교 김세윤 신소재공학과 교수 연구팀과 함께 친환경 범용 소재 박막태양전지인 CZTS 박막태양전지의 문제점인 기공 형성 원인을 규명하고 이를 억제하는 기술을 개발했다고 12일 밝혔다.
CZTS 박막은 값이 싸고 독성이 거의 없는 구리, 주석, 아연을 주요 소재로 사용하기 때문에 대량생산이 용이하다. 또 휘어지는 성질을 가지고 있어 여러 분야에 적용 가능하다. DGIST 박막태양전지연구센터가 2019년 12.6%라는 세계 최고 발전전환 효율을 기록한 태양전지를 개발하기도 했으나, 아직 하부 전극 부근에서의 다양한 크기의 구멍이 생기는 등(기공 결함) 여러 결함에 대한 해결책이 필요한 실정이었다.
공동 연구팀은 이번에 CZTS 박막태양전지의 문제점인 흡수층 하부에 존재하는 기공의 형성 원인을 규명했다. 비교적 간단한 원리로 기공 결함을 제어할 수 있는 기술이다. CZTS 흡수층은 구리, 아연, 주석을 임의의 순서로 코팅한 후 고온에서 황 및 셀레늄과 반응해 제작한다. 이 때 아연을 제일 먼저 코팅할 경우 큰 크기의 기공이 형성되지 않는다는 것을 확인했다. 기공 형성을 억제할 수 있는 원천 기술로 CZTS계 박막태양전지 발전 효율을 높일 수 있을 것으로 기대된다.
김대환 DGIST 책임연구원은 “이번 연구의 핵심성과로서 일반적인 모델과는 다른 새로운 기공 형성 억제 모델을 제시한 것과, 간단한 방법을 통해 기공 결함 형성을 억제할 수 있는 기술을 개발한 것을 들 수 있다.”고 말했다.
김세윤 경남대 교수는 “금속 박막의 증착 순서를 변경해 초기 반응 시 미세 구조 변화를 유도했고, 이를 통해 기공 형성을 억제할 수 있었다. 추가적으로 크기가 다른 두 종류의 기공을 한 번에 해결하는 공정 기술을 확보하기 위해 노력하겠다.”고 밝혔다.
이번 연구는 경남대학교 김세윤 교수와 DGIST 박막태양전지연구센터 김승현 연구원이 제1저자, 김대환·강진규 책임연구원이 교신저자로 참여했다. 연구결과는 재료 분야의 저명 학술지인 '에이씨에스 어플라이드 머트리얼 앤 인터페이스'에 온라인 게재됐으며, 동시에 표지 논문으로도 선정됐다.
대구=정재훈기자 jhoon@etnews.com
