국내 연구진, 태양전지 감춰진 손실 문제 첫 발견

▲연구진이 실리콘 이종접합 태양전지의 결함을 분석하고 있다. 한국에너지기술연구원

국내 연구진이 태양광 발전의 효율을 떨어뜨리던 문제점을 발견했다.

한국에너지기술연구원은 태양광연구단 송희은 박사와 충북대학교 물리학과 김가현 교수 공동 연구팀이 실리콘 이종접합(SHJ) 태양전지 효율 저하의 요인인 결함의 형태를 최초로 규명하는 데 성공했다고 20일 밝혔다. 이번 연구 결과는 결함을 억제하는 패시베이션 기술과 연계해 태양전지 효율 향상에 크게 이바지할 수 있을 것으로 전망된다.

태양전지 내에 발생하는 결함은 손실을 일으키고 변환 효율과 전력 발생량을 감소시킨다. 이를 방지하기 위한 방법으로 표면 코팅 등의 처리를 통해 결함을 제어하는 '패시베이션' 기술이 사용되며, 알맞게 적용하기 위해서는 각각의 태양전지에 발생하는 결함의 형태와 특성을 완벽히 이해해야 한다.

심층준위과도분광(DLTS)이라 부르는 기존의 결함 분석법은 태양전지에 순간적으로 전압을 가해 일시적으로 성질이 변한 상태로 만들고, 소자가 정상으로 돌아올 때까지의 반응(과도응답)을 측정해 분석한다. 그러나 전압이 가해진 후 정상으로 돌아올 때까지의 시간이 밀리초(1천분의 1초) 수준으로 매우 짧아, 전체 과도응답을 측정하지 않고 전압이 가해진 직후와 정상 복귀 시 각 1번씩만 측정하는 방식을 활용해 왔다.

이는 단순한 구조를 지닌 소자의 분석에 적합하지만, 전체 과도응답을 관찰하지 않아 실리콘 이종접합 태양전지처럼 복합적인 결함을 가지는 소자의 분석에는 걸맞지 않았다. 이에 따라 최근까지도 실리콘 이종접합 태양전지의 결함과 특성은 간접적으로 유추할 뿐 실체를 파악하기 어려웠다.

이를 해결하기 위해 연구진은 기존의 분석 방식을 고도화하고 태양전지의 과도응답 전체를 분석하는 새로운 해석 기법을 제안했다. 이를 통해 최근까지 한 종류일 것으로 가정했던 이종접합 태양전지의 핵심 결함은 사실 두 가지의 결함이 중첩된 형태라는 것을 알아냈다. 즉, 실리콘 이종접합 태양전지의 결함이 두 가지의 복합적인 형태로 존재함을 최초로 규명한 것이다.

송희연 에너지연 태양광연구단 박사는 “본 연구를 통해 고효율 실리콘 이종접합 태양전지 개발을 가속화하고, 나아가 에너지연의 독자 기술을 이용해 세계 최고 수준의 적층형 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 기대한다"고 밝혔다.

본 연구는 한국에너지기술연구원 기본사업의 지원을 받아 수행됐으며, 세계적인 재료과학 학술지 '어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials/IF 19/JCR상위 4.5 %) 올해 10월호에 표지 논문으로 선정됐다.

이원희 기자 wonhee4544@ekn.kr