★ 2018년 1월 16일(화) 조간(온라인 1월 15일(월) 12:00)부터 보도하여 주시기 바랍니다.

보도자료
	<홍보실> 김한기 실장, 장효정 연구원 ☎ 042-869-6116
<자료문의> 전남대학교 허재영 교수(062-530-1716), 조재유 박사과정(062-530-0633)
초저가 박막태양전지 공정기술 개발 - 친환경 범용원소 기반 태양광 흡수층 형성 기술 확보 -

□ 국내 연구진이 범용 원소를 기반으로 저렴한 박막태양전지를 개발했다. 한국연구재단(이사장 조무제)은 허재영 교수(전남대학교) 연구팀이 저비용 주석 황화물을 기반으로 태양광 흡수층 형상 제어 기술을 개발하여, 장시간 안정적인 박막태양전지를 제작했다고 밝혔다.

□ 태양전지는 햇빛으로 전기를 생성하는 전지로서, 화석연료를 대체할 차세대 신재생에너지의 대표 주자이다. 그 중에서도 값싼 금속기판 위에 반도체 박막 형성을 통해 제조하는 박막태양전지는 가격 경쟁력이 뛰어나서 많은 주목을 받고 있다.

□ 현재 상용되는 박막태양전지는 높은 에너지변환 효율을 가지고 있으나, 매장량이 적은 인듐과 갈륨을 사용하고 있어 제작비용이 높은 한계가 있다.

□ 연구팀은 단순하고 대량생산에 적합한 기상증착법*을 이용하여 주석 황화물의 형상제어 기술을 확보하고, 이를 박막태양전지에 적용했다.

* 기상증착법 : 고온의 입자가 불활성 기체와 함께 증발, 이동하여 저온의 기판에 응축되면서 박막을 형성하는 기법. 증착 속도가 빠르고 대면적 소자 제작에 유리함.

ㅇ 연구팀은 주석 황화물 흡수층 형성에서 반응속도를 제어함으로써 기존에 알려진 판상 형태의 모폴로지*가 아닌 고밀도의 정육면체 형태의 모폴로지 형성이 가능하다는 것을 실험적으로 제시하였다.

* 모폴로지 : 흡수층 박막의 최종적인 표면 형상

ㅇ 이를 통해 제작된 박막태양전지는 2.984%의 광변환 효율을 보였고, 6개월 이상의 장기간 공기 노출에도 초기 효율의 98.5%를 유지하는 우수한 대기 안정성을 나타냈다. 이는 카드뮴 황화물 버퍼층을 기반으로 하는 주석 황화물 박막태양전지 중 최고효율에 해당한다.

□ 허재영 교수는 “이 연구는 기존의 복잡한 조성을 갖는 박막태양전지 흡수층 소재 제작의 어려움을 극복하고 단순 친환경 원소를 기반으로 하는 흡수층 소재 연구의 기반을 마련한 것”이라며, “화석연료를 대체할 정도로 경제성을 확보한 차세대 박막태양전지 개발을 앞당길 수 있을 것으로 기대한다”고 연구의 의의를 설명했다.

□ 이 연구 성과는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구), 산업통상자원부 에너지미래선도 인력양성 GET-Future 프로그램 지원으로 수행되었다. 에너지 분야 국제학술지 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials) 1월 4일자 논문으로 게재되었다.

<참고자료> : 1. 논문의 주요내용

2. 연구결과 개요

3. 연구이야기

4. 용어설명

5. 그림설명

논문의 주요 내용

□ 논문명, 저자정보

- 논문명 : Kinetically Controlled Growth of Phase-pure SnS Absorbers for Thin Film Solar Cells: Achieving Efficiency Near 3% with Long-term Stability Using a SnS/CdS Heterojunction
(반응 속도 조절을 통한 박막태양전지용 고순도 주석황화물 흡수층 형성)

- 저  자 : 허재영 교수(교신저자, 전남대학교), 임동하(제1저자, 전남대학교),
서호영 박사(한국기초과학지원연구원), 마헤시 수라와니시 박사(전남대학교), 송광염(전남대학교), 조재유(전남대학교), 김진혁 교수(전남대학교),
장재혁 박사(한국기초과학지원연구원), 전찬욱 교수(영남대학교),
조아라 박사(한국에너지기술연구원), 안세진 박사(한국에너지기술연구원)

□ 논문의 주요 내용

1. 연구의 필요성

○ 차세대 이원계 칼코지나이드 흡수층 물질 중 주석 황화물 (SnS)은 1W 발전에 필요한 광흡수층 소재 단가를 고려할 시 기존의 CIGS나 CdTe에 비해 10 – 100 배 이상 저렴하여 국내외 많은 연구자들의 주목을 받고 있는 상황이다. 현재까지 주석 황화물 기반의 박막태양전지 최고 효율은 4.36%로서 미국 Harvard대학교/MIT 공동 연구진이 2014년에 발표하였다.

○ 32%에 달하는 이론적 효율에 비해 현재까지 많은 연구자들의 관심에도 불구하고 판상 구조를 갖는 주석 황화물의 경우 대부분의 연구 결과에 따르면 2% 미만의 낮은 변환 효율을 보고하고 있는 실정이다.

○ 위와 같이 낮은 효율의 원인으로서 단일상으로 이루어진 고품질 주석 황화물 형성의 어려움과 더불어 박막의 모폴로지 제어 어려움 등을 들 수 있다.

2. 연구내용

○ 본 연구에서는 연구의 필요성에서 기술한 바와 같이 단일상 고품질 주석 황화물 흡수층 형성을 위해 기존에 거의 보고 되지 않았던 기상증착법(vapor transport deposition)을 활용하였다.

○ 공정 압력의 적절한 조절을 통해 주석 황화물 소스 기상 입자의 확산 거리를 제어할 수 있음을 확인하였고 이를 통해 기판 상에 형성되는 주석 황화물 박막의 모폴로지 조절이 가능함을 밝혀내었다.

○ 낮은 압력 조건의 경우 통상적으로 보고된 주석 황화물 고유의 사방정계 (orthorhombic system) 결정 구조를 따라 판상으로 박막이 자라나는 것을 확인하였다. 이와 달리 적절한 공정 압력 제어를 통해 기존 CIGS 및 CdTe 흡수층과 유사한 입방 구조 형태로 주석 황화물 모폴로지가 변화함을 확인하였다.

○ 이러한 주석 황화물 흡수층의 모폴로지 조절 기술을 바탕으로 박막태양전지 특성에 어떠한 영향을 미치는가에 대한 추가 실험을 진행하였다. 최종적으로 형상 제어된 주석 황화물 흡수층을 사용한 태양전지가 2.984%에 이르는 최고 변환 효율을 보임을 밝혀내었다.

3. 연구 성과

○ 본 연구팀에서 얻은 효율 수치는 기존 미국 Harvard대학교/MIT 공동 연구진이 보유한 세계최고효율에는 미치지 못하나, 카드뮴 황화물 버퍼층을 기반으로 제작된 주석 황화물 박막태양전지로 한정할 경우 세계최고효율에 해당한다.

○ 또한, 제조된 주석 황화물 박막태양전지의 경우 6개월 이후에도 최초 효율의 약 98.5%를 유지함을 확인하였다. 이를 통해 본 연구팀에서 형성한 주석 황화물이 매우 우수한 대기 안정성을 가짐을 확인할 수 있다.

○ 본 연구를 통해 얻은 형상 제어 기술은 입방 구조(cubic system) 이외의 결정 구조를 갖는 반도체 물질의 형상 제어에 적용 가능할 것으로 기대된다.

연 구 결 과  개 요

1. 연구배경

ㅇ 무한한 청정에너지원으로서 각광받고 있는 태양광 발전 기술은 다양한 장점에도 불구하고 아직까지 보급 확대 수준이 미미한데, 이는 기존 화석연료 기반 발전방식에 비해 발전단가의 경제성이 확보되지 않았기 때문이다.

ㅇ 기존 CIGS 및 CdTe로 대표되는 화합물 기반의 박막태양전지가 22% 내외의 높은 변환 효율을 나타내며 산업화에 이르렀으나 매장량이 적은 인듐과 갈륨의 사용, 그리고 카드뮴의 독성 문제와 같은 이슈를 안고 있다.

ㅇ 위와 같은 경제적/환경적 문제로 인해 지속적으로 대체 가능한 범용 원소 기반의 신규 흡수층 개발에 대한 요구가 높아지고 있다.

2. 연구내용

ㅇ 본 연구에서는 차세대 범용 이원계(binary materials) 기반의 주석 황화물 흡수층 형성에 관련한 연구를 진행했다. 주석 황화물의 경우 사방정계(orthorhombic system)의 결정 구조를 갖고 있어 일반적으로 박막 형성 시 판상 형태로 자라난다. 이렇게 형성된 주석 황화물을 흡수층으로 사용하여 p-n 접합 형성 시 매우 낮은 태양전지 효율을 보이게 된다.

ㅇ 연구팀은 기상증착법을 활용하여 흡수층 증착 시 공정 압력의 조절을 통해 기상 증발된 주석 황화물 사이의 확산 거리를 제어했고 이를 통해 최종 형성된 흡수층의 모폴로지를 이상적인 정육면체 형태로 변화시킬 수 있음을 실험적으로 밝혀냈다. XRD, TEM, Raman 등의 추가 분석을 통해 이렇게 형성된 흡수층이 고순도의 단일상 주석 황화물로 이루어졌음을 확인하였다.

ㅇ 형상 제어된 주석 황화물을 흡수층으로 활용하여 박막태양전지를 제조하였고 결과적으로 흡수층의 모폴로지가 박막태양전지의 변환 효율에 가장 큰 영향을 준다는 사실을 밝혀내었다. 기존의 일반적인 판상 구조를 갖는 흡수층의 변환 효율 0.06%에 비해 최적 조건의 흡수층을 활용한 박막태양전지의 경우 2.984%의 우수한 변환 효율을 얻을 수 있었다.

ㅇ 이러한 주석 황화물 기반 박막태양전지를 대기 중에 노출시켜 6개월 이후 효율 측정 시에도 초기 값의 98.5%가 유지됨을 확인하였고 이를 통해 기상증착법을 통해 형성된 주석 황화물의 특성이 매우 우수함을 입증하였다. 주석 황화물 기반의 박막태양전지의 장기 안정성에 관련한 결과는 아직까지 보고된 바가 없다.

3. 기대효과

ㅇ 최근 들어 초저가 원소를 기반으로 한 이원계 흡수층 물질에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구를 통해 얻어낸 흡수층 모폴로지 조절 기술은 안티몬 셀레나이드(Sb2Se3) 등 다른 물질의 형상 제어에도 적용될 수 있을 것으로 기대된다.

ㅇ 주석 황화물의 경우 박막태양전지의 흡수층뿐만 아니라 2차전지 음극소재로도 각광 받고 있다. 따라서 이러한 형상 제어 기술을 활용해 다양한 에너지 생산 및 저장 소자에 응용 가능할 것으로 기대된다.

★ 연구 이야기 ★

□ 연구를 시작한 계기나 배경은?

초저가 원소를 기반으로 하는 단순 이원계 박막태양전지에 관련한 연구는 미국 박사 후 연구원 제직 동안 주변에서 과제가 시작되어 연구 초기 단계였다. 기존의 CIGS 및 CZTSSe 등 복잡한 조성을 갖는 무기 박막 기반의 흡수층에 비해 좀 더 쉽게 고효율 박막태양전지를 제조할 수 있을 것이라 생각했지만 기대했던 것보다 연구 개발이 더디게 진행됐다. 한국으로 돌아 온 후에도 개인적으로 지속적인 관심을 갖게 되었고 이와 관련한 연구를 진행해보고 싶다는 생각이었다.

□ 연구 전개 과정에 대한 소개

원하는 모폴로지를 갖는 주석 황화물 흡수층 형성을 위해 증발법, 스퍼터링법, 급속열처리법 등 다양한 박막 형성 기술을 활용해 보았으나 그때마다 판상의 모폴로지를 갖는 주석 황화물만 형성되었다. 거의 포기하던 찰 나 우연한 기회에 기상증착법(VTD)과 관련된 논문을 읽게 되었고 이를 바탕으로 시행착오 끝에 원하는 결과를 얻을 수 있었다.

□ 연구하면서 어려웠던 점이나 장애요소가 있었다면 무엇인지? 어떻게 극복(해결)하였는지?

주석 황화물 기반 박막태양전지 제조 시 기판 세척-흡수층 제조-표면 처리-버퍼층 제조-고저항 버퍼층 형성-투명전극 형성-메탈 전극 형성-스크라이빙-셀특성분석 등 여러 스텝의 공정을 거치게 된다. 실험실 자체 보유한 장비가 부족하여 공용 장비를 쓰다 보니 아무래도 결과를 바로 얻기가 힘들고 시간이 걸렸다. 이러한 진공 기반의 장비들은 연구비도 많이 들고 문제가 지속적으로 생겨 연구 흐름을 이어가기가 쉽지 않았다. 또한, 공정 관련한 세세한 노하우가 부족하여 아쉬운 결과를 얻는 게 다반사였다. 석사 과정 임동하 학생(제1저자)이 끝까지 최선을 다해준 것이 좋은 결과로 이어지지 않았나 생각한다.

□ 이번 성과, 무엇이 다른가?

기존 미국 Harvard대학교/MIT 공동 연구 그룹의 경우 ALD 공정을 기반으로 하여 매우 우수한 주석 황화물 모폴로지를 얻을 수 있음을 보고하였으나, 적절한 흡수층 모폴로지 형성과 관련한 메커니즘에 대한 제시는 없었다. 그러나 이번 연구를 통해 좀 더 대량생산에 친화적인 기상증착법 사용 시 공정 압력 제어를 바탕으로 확산 거리 조절을 통해 주석 황화물이 일반적으로 보이는 판상 구조가 아닌 정육면체 구조의 모폴로지 형성이 가능함을 확인하였다. 이에 더하여 카드뮴 황화물 n-타입 버퍼층을 활용하여 박막태양전지 제작 시 이러한 모폴로지가 셀 효율에 큰 영향을 미친 다는 것을 실험적으로 보여줄 수 있었다. 이러한 모폴로지 조절 기술은 다른 non-cubic 구조를 갖는 흡수층 형성에도 응용할 수 있을 것으로 기대된다.

□ 꼭 이루고 싶은 목표와 향후 연구계획은?

아쉽게도 미국 Harvard대학교/MIT 공동 연구 그룹이 보유한 세계최고효율을 넘어서는 결과를 얻을 수는 없었다. 그러나 짧은 연구 기간 동안 높은 효율을 얻은 경험을 바탕으로, 흡수층 및 버퍼층의 전기적 특성 제어, 후속 열처리 공정 등과 관련한 추가 연구를 통해 기존 주석 황화물 기반 태양전지의 최고효율을 넘어설 수 있는 결과를 내고 싶다.

□ 기타 특별한 에피소드가 있었다면?

2년여 동안 원하는 결과가 나오지 않아 좌절을 많이 했었다. 이번 연구를 통해 길이 보이지 않을 때 한걸음 벗어나 다른 분야에 대해 찾아보고 생각할 시간을 갖는 게 중요하다는 점을 깨닫게 되었다. 그리고 결과가 나오기 시작한 초기에 모든 실험 및 결과 분석을 실험실 내에서 해결하고자 했고 많은 어려움을 겪었다. 그러던 와중에 박막태양전지 관련 실험 및 결과 분석에 있어서 주변의 훌륭한 연구자 분들에게 도움을 요청했고 많은 조언과 도움을 받아 결과적으로 더욱 더 좋은 성과를 얻을 수 있었다.

용 어 설 명

1. 어드밴스드 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials) 誌

○ 화학, 에너지 및 소재 분야 최상위 국제 학술지 중 하나로서 학술지표 평가기관인 Thomson Reuters JCR 기준 16.721의 영향력 지수(IF)를 지님.

2. 박막태양전지

○ 태양에너지를 전기에너지로 변환하는 소자로서 박막 형태로 이루어진 p-형 반도체 (흡수층)와 n-형 반도체 (버퍼층)의 이종 접합으로 형성됨.

3. 변환 효율(conversion efficiency)

○ 태양전지에 입사되는 태양에너지가 얼마나 많은 전기 에너지를 발생시켰는가를 나타내는 수치로서, 제작된 태양전지의 성능을 나타내는 척도임.

4. 기상증착법(vapor transport deposition)

○ 고온 영역에서 소스 입자가 불활성 기체와 함께 기상 상태로 증발되고 이동 후 저온 영역 내에 존재하는 기판 상에 응축되면서 박막을 형성하는 기법. 높은 증착 속도를 보이며 소자의 대면적화에 유리함.

그 림 설 명

(그림) 주석 황화물 흡수층의 모폴로지 조절 결과 비교 및 박막태양전지 효율 증대

기상증착법을 활용한 주석 황화물 형성 시 반응 압력 조절을 통해 기상의 주석 황화물 확산 거리를 최소화 할 수 있고 이를 통해 정육면체 형태의 준안정적 모폴로지 형성이 가능함을 알 수 있으며 최종적으로 박막태양전지 제조 시 최고 변환 효율을 얻을 수 있다 (좌: 판상 구조를 갖는 일반적인 주석 황화물 모폴로지, 중: 정육면체 형태의 최적 모폴로지를 갖는 주석 황화물, 우: 박막태양전지 효율 측정 비교 결과).