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물 이용해 유기 박막 실리콘 태양전지 최초 구현...고효율, 공정 단순화
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물 이용해 유기 박막 실리콘 태양전지 최초 구현...고효율, 공정 단순화
  • 김민철 기자
  • 승인 2020.09.16 15:24
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UNIST 최경진 교수팀, 유기 박막 쓴 고효율 실리콘 태양전지 최초 구현
전지 제조 단순화로 가격경쟁력 확보 가능
9.13일 Advanced Functional Materials 게재
연구진 사진: 왼쪽부터 최경진 교수, 강성범 박사(제1저자) /UNIST 제공

국내 연구진이 물을 이용해 실리콘 태양전지의 전지 효율은 높이면서 제조공정은 단순화시킬 수 있는 기술을 개발했다. 전지의 무기물 구성층을 유기물로 대체한 실리콘 태양전지를 최초로 구현한 사례라고 한다. 

UNIST 신소재공학과 최경진 교수팀은 실리콘 태양전지의 '후면 분리막'의 성능을 개선하고 제조공정은 단순화하는 기술을 개발했다고 16일 밝혔다.

이 연구에서는 고온의 도핑공정, 진공장비 사용을 최소화 할 수 있는 유기물-실리콘-유기물 구조의 하이브리드 태양전지를 최초로 구현했고, 고온의 도핑공정을 통해 제작된 실리콘 태양전지를 뛰어넘는 18.37%의 효율을 보였다.

연구진에 따르면 분리막은 태양전지의 효율을 좌우하는 중요한 전지 구성층이다. 실리콘 태양전지 후면 분리막은 광생성 전자와 전공간 재결합을 방지하는 중요한 역할을 한다. 

태양광을 받은 광활성층(실리콘, 페로브스카이트 등)이 전자와 정공을 내놓는데 이 전자(음전하, -)와 정공(양전하, +)이 결합해 사라지는 것을 막는다. 전지가 생산하는 전력량은 전자와 정공 양이 결정하므로 전지 효율을 높이려면 이들의 재결합을 효과적으로 막는 분리막이 필요하다. 

다공성 유기 박막의 전자 현미경 이미지 및 스침각 X선 회절 패턴 a. 일반적인 제작된 유기 P(VDF-TrFE) 박막 b. 물을 이용해 만든 다공성 유기 P(VDF-TrFE) 박막. 내부의 박막구조가 잘 정렬되어 있고, 개별 내부조직의 크기가 눈에 띄게 커진 것을 확인 할 수 있음. c. 일반적으로 제작된 유기 P(VDF-TrFE) 박막 및 d. 다공성 유기 P(VDF-TrFE) 박막의 스침각 X선 회절 패턴. 다공성 유기 박막에서는 (200) 에 해당하는 X선 강도(intensity)가 집중 되어 있으며, 높은 결정성을 상징하는 (100)이 관찰 가능함. /UNIST 제공

최경진 교수는 "유기 박막의 전기적 특성을 조절하는 방식으로 실리콘 태양전지 모두에 이 박막을 쓸 수 있다"며 "이번 연구로 유기 물질 박막의 고질적 문제인 온도와 습도 불안전성도 해결해 사용화 가능성이 밝다"고 설명했다.

가격 경쟁이 치열한 실리콘 태양전지 분야에서 우위를 확보하는 데 기여할 것으로 기대되고 있다. 

연구팀은 유기물 강유전체 박막에 미량의 물을 첨가해 분리막의 효율을 높였다. 기름과 같이 물을 싫어하는 유기 박막에 물을 첨가하면 수 마이크론 길이의 파이버 형상 유기물 입자가 조밀하고 규칙적인 구조로 정렬된다. 

미세구조가 정렬됨에 따라 전자는 끌어당기고 정공은 밀어내는 힘이 더 커져 분리막의 성능이 좋아진다. 

또한 전지 제조 과정 중 분리막에 구멍을 뚫는 고가의 공정이 필요없다고 한다. 분리막은 전기가 통하지 않는 물질이라 구멍을 뚫어 전자와 정공의 통로를 만들어줘야 한다. 

a. 유기물 (PEDOT:PSS)-실리콘-유기물(P(VDF-TrFE) 하이브리드 태양전지의 모식도. b. P(VDF-TrFE) 유기 박막의 유무에 따른 태양전지의 효율 그래프. 18.37%의 효율을 나타냄. c. 유한차분시간영역법을 통한 유기박막(VDF-TrFE)의 효과 규명. /UNIST 제공

반면에 새롭게 개발된 분리막은 첨가됐던 물을 증발시켜 제거함으로써 그 자리에 구멍을 쉽게 만들 수 있다는게 연구팀의 설명이다. 

제1저자 강성범 연구원은 "유기 박막 내부 미세구조의 정렬현상(결정성 증가)을 발견하고 이를 이용한 실리콘 태양전지 제조 방식을 고안했다"고 설명했다. 

최 교수는 "이번 연구로 무기물에 한정되어 있던 실리콘 태양전지 후면 전계층 기술을 유기물로 확장했다"며 "고가의 진공장비가 필요한 무기 박막 태양전지와 달리 유기박막을 쓸 경우 공정이 간편해져 가격경쟁력을 갖춘 태양전지를 만들 수 있을 것"이라고 기대했다. 

이번 연구 수행은 한국연구재단의 중견연구자지원사업, 산업통상자원부 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업의 지원으로 이뤄졌으며, 소재 분야의 세계적 학술지인 'Advanced Functional Materials'에 9월 13일자로 논문명 'Ambipolar passivated back surface field layer for Silicon photovoltaics'로 온라인 공개됐다. 


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