↑↑ 위 왼쪽부터 DGIST 김성연, 양기정, 김대환 박사, 아래 왼쪽부터 DGIST 강진규 박사, 인천대 김준호·광운대 구상모 교수. DGIST 제공

DGIST(총장 이건우) 에너지환경연구부 양기정·김대환·강진규 책임연구원팀이 인천대 물리학과 김준호 교수팀, 광운대 전자재료공학과 구상모 교수팀과 공동연구를 통해 케스터라이트(CZTSSe) 박막태양전지의 성능을 크게 개선하는 연구를 수행했다. 태양전지 내 은(Ag)을 도핑 하는 새로운 방법을 통해 전지 성능을 저해하는 결함을 억제하고, 결정 성장을 촉진해 효율을 획기적으로 높여 상용화를 위한 중요한 발판을 마련했다.

케스터라이트(CZTSSe) 태양전지는 구리, 아연, 주석, 황, 셀렌으로 구성돼 자원이 풍부하고 가격이 저렴한 친환경적 태양전지 기술로 주목받고 있다. 특히 기존 태양전지에서 사용되는 희소 금속 대신 자원이 풍부한 재료를 사용하기 때문에 대규모 생산에 적합하고, 가격 경쟁력이 큰 것이 장점이다. 하지만 기존의 케스터라이트 태양전지는 효율이 낮고, 전자-정공 재결합으로 인한 전류 손실이 커 상용화에 어려움이 있었다.

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 은(Ag)을 태양전지 전구체에 도핑 하는 방식을 채택했다. 은은 주석 손실을 억제하고, 낮은 온도에서 물질들이 더 잘 섞이게 도와주는 역할을 한다. 이를 통해 결정이 더 크고 빠르게 자라 결함이 줄어들어, 태양전지의 성능을 향상시킨다. 특히 본 연구에서는 은을 전구체 내 다양한 위치에 배치해 태양전지 내 결함과 전자-정공 재결합 특성이 어떻게 변하는지를 체계적으로 분석했다. 그 결과, 은이 주석 손실을 막고 결함 억제 효과를 극대화해 전지의 성능을 크게 향상시킬 수 있다는 사실을 발견했다.

주목할 만한 점은 은을 잘못된 위치에 도핑 할 경우, 오히려 아연과 구리의 합금 형성을 방해해 아연이 벌크 형태로 남아 결함 클러스터가 형성된다는 사실도 밝혀냈다는 것이다. 이로 인해 전자-정공 재결합 손실이 증가하고, 성능이 저하될 수 있다는 것을 확인했다. 이를 통해 연구팀은 은 도핑 위치에 따라 태양전지의 성능이 크게 달라진다는 중요한 통찰을 제시했다.

나아가 연구팀은 은 도핑에 의해 형성되는 액상 물질이 결정 성장을 촉진해 흡수층의 밀도와 결정성이 크게 개선된다는 사실을 발견했다. 이로 인해 에너지 밴드 구조가 개선되고 결함이 줄어들어 전지 내 전하가 더 원활하게 이동할 수 있었다. 이러한 연구결과는 저비용으로 고성능 태양전지를 생산하는 데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

DGIST 에너지환경연구부 양기정 책임연구원은 "본 연구에서는 기존에 명확하게 밝혀지지 않았던 은 도핑의 효과를 공정 단계별로 분석해 은이 주석 손실을 억제하고 결함을 개선하는 역할을 한다는 것을 밝혀냈다"며 "본 연구는 결과를 통해 태양전지의 효율 향상을 위한 은 도핑 전구체 구조 설계에 중요한 통찰을 제공했으며, 다양한 태양전지 기술의 발전에 기여할 것으로 기대된다"고 말했다.

한편 이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발(단계도약형 탄소중립기술개발) 및 미래선도형특성화연구(그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)) 사업을 통해 수행했으며, 에너지 분야 최상위 국제 학술지인 '에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Energy, IF 32.4)'에 온라인 게재됐다.