유-무기 할라이드 페로브스카이트 활용 탠덤 태양전지

단일접합 태양전지의 효율성은 지난 십 년 동안 지속적으로 향상되었지만 단일 p-n접합 태양전지의 이론적 변환효율 한계인 Shockley-Queisser limit 값에 접근하였다. 광전 변환 효율의 한계를 근본적으로 개선할 수 있는 방법으로 서로 다른 밴드갭을 가진 태양전지 재료를 2층 이상 적층하는 다중 접합, 즉 탠덤(Tandem) 태양전지 접근 방식이 제시되었으며 지속적으로 효율성 증가를 보여왔다. 이 보고서에서는 탠덤 태양전지의 구조에 따른 구동 원리와 상하부 흡수 물질에 따른 각각의 연구 동향에 대해 살펴보기로 한다.



글/ 고려대학교 주병권 교수 연구실 
     최종현(고려대학교 전기전자공학과 박사 과정) 
     이하람(고려대학교 전기전자공학과 박사 과정) 
     고 결(고려대학교 전기전자공학과 석박통합 과정)

 목차 

1. 서론 
2. 탠덤 태양전지의 구조 
2-1. 2-terminal 탠덤 태양전지 
2-2. 4-terminal 탠덤 태양전지 
2-2-1. 기계적으로 적층된 페로브스카이트/ 실리콘 탠덤 태양전지 
2-2-2. 광학적으로 결합된 페로브스카이트/ 실리콘 탠덤 태양전지 
3. 하부 태양전지 흡수 물질에 따른 분류 
3-1. 실리콘 - 페로브스카이트 이중접합 태양전지 
3-2. CIGS - 페로브스카이트 이중접합 태양전지 
3-3. 페로브스카이트 - 페로브스카이트 이중접합 태양전지 
4. 결론
5. 참고문헌
     

1. 서론

결정질 실리콘 태양전지는 연구적으로 가장 확립된 태양전지 기술이며 현재 세계시장을 지배하고 있다. 그 이유는 실리콘 태양전지 제조 기술은 매우 성숙하고 계속 발전하고 있어 최첨단 실리콘 태양전지는 25% 이상의 효율을 달성할 수 있기 때문이다.

또한 지구에 풍부한 원소로 원자재 공급이 원활하며 웨이퍼 가격, 도핑공정 비용 및 금속화 공정 등 전반적인 제조 원가가 지속적으로 감소하고 있으며, 실리콘은 화학적으로 매우 안정적인 것으로 입증되어 대부분의 태양광 응용기술의 수명 요구 사항을 충족하기 때문이다.                 





III-V족 화합물 반도체는 다양한 격자 매개변수와 밴드갭을 선택할 수 있어 실리콘에 비해 고효율 태양전지 재료로 주목받 아왔다. III-V족 태양전지는 박막 합성을 위한 고가의 진공 장비와 전구체가 필요하고 인체와 환경에 유해한 이유로 양산에는 부적합하여 시장 점유율이 낮지만 위성이나 고농도 태양광 시스템과 같은 고효율성을 우선시하는 일부 시스템에서는 활발히 응용되고 있다.

Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 태양전지는 열, 방사선 안정성이 뛰어 나고 물질 조성의 조절을 통해 밴드갭 조절이 용이하며 특히나 얇은 박막으로 고효율의 광흡수가 가능하고 플렉서블 박막으로 제작이 가능한 장점이 있으며 방사선 내성 또한 우수하다.

이러한 특성으로 웨어러블 태양전지 디바이스, 우주 장비용 태양전지 등의 독자적인 응용 영역을 형성하고 있다.

페로브스카이트 또한 상대적 고효율, 할라이드 물질 조성 제어를 통한 밴드갭 조절의 용이성 및 저온 공정 가능성으로 인해 차세대 태양전지의 주요 후보로 연구되고 있으며 지난 10년간 급속한 발전을 이루었다. 신뢰성이 여전히 페로브스카이트 태양전지의 가장 주요한 문제였지만, 최근 들어, IEC 61215 표준에 따른 장기 안정성 테스트를 견딜 수 있는 연구 결과가 점차 늘어나 근시일 내에 극복 가능할 것으로 보이며, 고효율 무손실 봉지 기술 개발단계에 들어섰다.

그림1 (d)는 다양한 유형의 태양전지의 변환 효율 기록을 보여준다. 결정질 실리콘 (c-Si) 태양전지, 페로브스카이트 (Perovskites) 및 CIGS 태양전지의 효율성은 지난 십 년 동안 지속적으로 향상되었지만 단일 p-n접합 태양전지의 이론적 효율 한계인 Shockley-Queisser limit 값에 접근하는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 태양전지의 변환효율 개선을 위한 새로운 기술이 대두되었다. 효율성 개선을 위해 가장 주요하게 제시되었던 기술은 태양 스펙트럼의 다른 파장을 흡수하기 위해 서로 다른 밴드 갭을 가진 태양전지 재료를 2층 이상 적층 하는 다중 접합, 즉 탠덤(Tandem) 태양전지 접근 방식으로 변환 효율의 한계를 근본적으로 개선할 수 있는 방법을 제공하여 지속적으로 효율성 증가를 보여왔다.
 
다중 접합 태양전지 구조를 적용하 면, 좁은 밴드갭을 가지는 물질을 사용하는 태양전지의 경우(예를 들어, 실리콘 태양전지), 밴드갭보다 큰 에너 지를 가지는 광자를 흡수하였을 때 에너지 차이만큼 발생하는 열에너지 손실(thermalization loss)을 감소시킬 수있다. 같은 의미로, 넓은 밴드갭 에너지를 가지는 물질을 흡수층으로서 사용하는 태양전지의 경우, 밴드갭보다 낮은 에너지가 투과되어 생기는 투과 손실 (transmission loss)을 감소할 수 있다. 상부 태양전지의 후보로는 페로브스카이트와 같은 상대적으로 밴드갭 에너지가 높은 물질이 사용되는 반면, 하부 전지에는 실리콘 및 CIGS와 같은 밴드갭 에너지가 좁은 물질이 주로 사용된다. 이론적으로 2층의 탠덤 태양전지는 1-Sun 조건에서 약 42%의 효율 달성 가능하다.

이 보고서에서는 탠덤 태양전지의 접합부가 전기적으로 결합되는 방식에 따른 구동 원리에 따라 2-terminal 방식과 4-terminal 방식을 소개한다. 또한 주요하게 연구되고 있는 상하부 흡수 물질에 따른 분류(실리콘-페로브스카이트, CIGS-페로브스카이트, 페로브스카이트-페로브스카이트) 각각의 연구 동향에 대해 살펴보기로 한다.

 
2. 탠덤 태양전지의 구조

앞에서 설명했듯이, 실리콘 단일 접합(single-junction) 태양전지의 지속적 발전에도 불구하고 Shockley-Queisser(SQ) theoretical limit에 따른 33%의 이론 한계에 의해 탠덤 태양전지가 등장하는 배경이 되었다. 탠덤 태양전지는 태양광 스펙트럼을 효율적으로 활용하는 특징이 있으며 전지의 직렬, 병렬 연결과 같이 전기적 연결되는 형태에 따라 2-termianl 태양전지와 4-terminal 태양전지로 구분된다. 본 섹션에서는 각각의 탠덤 태양전지의 기본적인 구조를 설명한 뒤 각 구조에서의 장단점과 현재 개발 진행 관련 이슈와 극복 방향 등을 다루고자 한다.

2-1. 2-terminal 탠덤 태양전지

2-termianl 탠덤 태양전지는 monolithic tandem 태양전지 라고도 불리며 총 2개인 상부셀과 하부셀이 직렬로 전기적으로 연결된 기본 구조를 갖고 있으며 그림 3. (a)에 나타나있다.

2-terminal 탠덤 태양전지는 전기적으로 직렬 연결된 것에 기인하여 장점과 단점의 특징을 나타낸다. 물리적으로 연결된 2
개의 셀이 상부, 하부에 위치하기 때문에 상부에만 투명전극을 사용하면 된다는 공정상의 장점이 있다. 이는 공정비용 절감을 할 수 있게 해준다. 또한, 투명전극의 개수가 적어지면, 기생흡수가 적어지고, 전류손실을 효과적으로 줄일 수 있는 장점이 된다.

또한, 하단의 셀이 그 자체로 기판의 역할을 하기 때문에 기판 가격을 고려하지 않아도 된다. 하지만, 광 전류 매칭 (photocurrent-matching)이 필요하다는 단점도 있다. 광 전류 매칭은 두개의 서브셀이 비슷한 광 전류를 발생하게 조절해주는 것을 의미하는데, 그렇지 않으면 소자의 전체 전류가 두 개의 셀 중 작은 전류를 따르며 성능의 저하를 불러온다. 또한, 상?하부 셀에서 제공되는 전자와 정공의 양이 같아야 각 소자의 광 변환 효율의 손실을 최소화할 수 있다. 이러한 광 전류 매칭을 만족하는 2-terminal 탠덤 태양전지로 상부 셀은 페로 브스카이트 하부 셀은 실리콘 태양전지가 많이 쓰인다.

이는 소자의 구조적인 특성에 따라 상부 셀을 지나고 남은 태양광을 이용하여 하부 셀의 전류를 생성해야 하며 그 전류도 광 전류 매칭을 해야 하는 특이점을 만족시키는 재료로서 두 가지 물질의 밴드 갭이 적합하기 때문이다. 이것은 전체 시스템의 재료 사용에 있어서 제한을 만드는 요소이다.

현재 보고된 최고 효율은 2022년 스위스의 로잔 연방 공과 대학교와 CSEM 공동연구 그룹에서 2T 페로브스카이트/실리콘 구조로 31.3%의 변환효율(PCE, power conversion efficiency) 을 미국 신재생에너지 연구소에서 인증을 받은 바 있다.

2-2. 4-terminal 탠덤 태양전지

4-터미널탠덤 태양전지는 상부와 하부의 셀이 전기적으로 연결 되어있지 않고 독립적으로 구동한다. 2-terminal처럼 전기적으로 직렬로 연결된 것이 아니기 때문에 2개의 subcell에 총 4개의 전극(electrode)가 필요하며 그에 따라 장? 단점과 특징을 가진다. 특히 해당구조에서는 광학적으로 태양광 스펙트럼을 분리시켜주는 필터의 유무에 따라 기계적 으로(mechanically) 적층된 태양전지와 광학적으로 결합된 (optically coupled) 탠덤 태양전지로 구분된다. 본 섹션에서는 각각의 구동방법과 특징 한계점을 다루고자 한다.

2-2-1. 기계적으로 적층된 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지

Mechanically stacked 4-terminal 탠덤 태양전지는 그림1. (c) 에 나와 있듯이 2-termianl의 구조와 비슷한 구조로 구성 되어 있다. 앞에 언급한 것처럼 해당 구조는 4개의 전극을 필요로 하며 이는 공정상의 추가 비용을 요구한다. 전기적으로 연결된 2-termianl과 다르게 전류 매칭(photocurrent-matching)이 필요 없기 때문에 다양한 환경에서 큰 효율 저하 없이 작동할 수 있으 며, 특히 하부 셀을 양면 투과형 셀로 채택할 경우 환경 반사를 활용하기 용이하다는 장점이 있다. 다만, 총 4개의 전극 중 3개의 전극은 넓은 스펙트럼 범위의 빛을 투과시켜야 하며 하부 셀까지 태양광이 도달할 수 있도록 적외선 부분을 최대로 투과해야 한다. 그에 더하여 전극에서 발생하는 기생(parasite) 전류의 흡수를 조절도 필요하며 이것은 공정상의 비용 추가로 이어진다.

2-2-2. 광학적으로 결합된 페로브스카이트/실리콘 탠덤 태양전지

태양광 스펙트럼을 파장별로 나눠주는 다이크로닉(dichroic) 거울을 이용하여 구동하는 방식이 optically coupled 탠덤 태양 전지이다. 그림 1. (d)에 구조가 나와 있듯이 다이크로닉 거울을 통해 미리 입사광의 파장을 조절하기 때문에 투명한 전극이 필요 없다는 장점이 있다. 구조 상 거울과 셀의 구조가 개별적 으로 구성되어 있기 때문에 상부 페로브스카이트 셀이 효율이 떨어졌을 때 교체하여 전체 소자의 성능을 유지할 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 가장 큰 단점으로 다이크로닉 거울이라는 광학소자가 매우 비싸다는 것이다. 2015년 일본 오사카에 위치한 야마모토(Kenji Yamamooto) 의 그룹에 의해 스펙트럼 분리 거울을 사용한 탠덤 구조에서 소자 효율이 상승된 것이 보고된 바 있다. CH ₃ NH ₃ PbI ₃ 페로브 스카이트와 실리콘 헤테로 접합의 구조에서 550 nm의 cutoff splitter를 사용하여 28%의 최고효율을 보고하였다.

해당 구조에서 스펙트럼 분리 유리 도입의 어려움에 대한 대안으로 반사(reflective) 탠덤 태양전지(그림 3. (e))가 최근 제안되었다. 이는 값이 싼 상부 셀에 PV 거울을 도입하여 상대적 으로 비싼 실리콘 sub-cell에 반사되도록 하는 원리이다. 이는 공정상의 유연함을 제공하며 에너지 수확기술에서 장점이 있으나, 태양광 추적 성능은 태양광의 확산광을 수집하는데 열악 하다는 단점이 있다.
 
3. 하부 태양전지 흡수 물질에 따른 분류

3-1. 실리콘-페로브스카이트 이중접합 태양전지

실리콘-페로브스카이트 이중접합 태양전지는 기술 숙성도가 높은 실리콘 태양전지의 우수한 효율을 기반으로 가장 높은 효율을 기록한 이중접합 태양전지이다. 2015년 MIT와 스탠포드 대학교가 협업하여 13.7%의 효율을 최초로 보고하였다. 이후 2016
년도에 EPFL의 C.Ballif 교수가 실리콘 헤테로 접합 태양전지를 하부셀로 적용하여 20% 효율을 달성하였고, 이듬해인 2018
년 Oxford PV의 H. J. Snaith교수 팀이 27.3%를 기록하며 실리콘 단일접합 태양전지 효율을 넘어서기 시작하였다. 2020년도 에는 HZB의 S.Albrecht 교수 팀이 29.15%를 달성하며 고효율의 GaAs 태양전지 효율마저 넘어섰다. 2022년에는 C. Ballif 팀이 31.3%의 효율을 기록하며 밝은 전망을 가지고 있다.

실리콘은 높은 굴절률을 가지고 있어, 단일접합 태양전지에서는 피라 미드 텍스쳐링으로 반사를 최소화하여 높은 성능을 내지만, 이중접합 태양전지에서는 피라미드 텍스쳐링 적용이 힘들다. 그 이유는 페로브스카 이트 태양전지가 대부분 스핀코팅 기반으로 연구가 되고 있으며, 소자의 두께가 약 1um 수준으로 얇아 수 um사이즈의 실리콘 텍스쳐를 커버 하기 힘들기 때문이다. 이를 해결하기 위해 많은 연구가 진행되고 있다.

크게 보면, 아래의 3가지 방법을 통해 효율 개선을 이룰 수 있다. ⅰ)현재 높은 효율을 기록중인 용액 공정을 활용하기 위해 실리콘 상부위에 페로브스카이트 태양전지의 공정 그대로 스핀코팅을 하되, 실리콘과 페로브스카이트층의 굴절률 매칭을 위한 층을 추가로 도입하는 방법.(ncSiOx 등) ⅱ)실리콘-페로브스카이트 계면 반사를 줄이기 위해 텍스쳐를 나노 단위의 사이즈로 줄이고, 슬롯 다이 코팅을 활용하는 방법. ⅲ)실리콘 텍스쳐를 그대로 활용하며 페로 브스카이트 태양전지를 진공 공정으로 코팅하는 방법. 공정 가격과 최종 효율을 고려하면, 세 번째 방법이 궁극적인 방법으로 여겨지며, 이를 해결하기 위해 페로브스카이트 태양전 지의 진공공정의 효율 개선이 필요 하다.

진공공정 페로브스카이트 태양 전지에서 고효율을 낼 수 있는 정공 수송층의 진공 공정이 큰 문제 중 하나였으나, HZB의 S. Albrecht 교수가 보고한 carbazole 베이스의 selfassembled monolayer(SAM)를 통해 용액 공정 HTL로도 conformal coating이 가능 할 것으로 여겨지며, 페로브스카이트 흡수층의 공정 개선을 통해 GaAs 기반 이중접합 태양전지 효율을 넘을 수 있을 것으로 생각된다.



3-2. CIGS-페로브스카이트 이중접합 태양전지

CIGS 페로브스카이트 이중접합 태양전지는 2015년 IBM 연구소에서 11% 효율로 최초 보고하였으며, 2022년 현재 24.2% 의 효율로 아직 페로브스카이트 단일접합 태양전지의 효율에못 미치는 정도이지만, 박막 태양전지의 다양한 활용 가능성을 고려하여 활발하게 연구 중이다. CIGS 태양전지는 박막 태양전 지의 특성으로 무게가 가벼우며, 유연 기판 위에서의 연구도 많이 이루어져 유연 이중접합 태양전지의 구현이 가능하다.

하지만, 산업계에서 크게 활용되지 않는 현실로 인해 실리콘에 비해 관련 연구가 적고, 기술 성숙도가 낮은 점과 더불어, CIGS 태양 전지의 거칠기로 인해서도 연구가 제한되고 있다. CIGS 태양전지 흡수층의 거칠기로 인하여 일반적인 스핀코팅 공정 기반 페로브스카이트 태양전지 기술을 그대로 활용할 수가 없어, 폴리싱 기술의 개발이 필요하다. 실리콘 태양전지에 비해 좀 더 무른 CIGS 태양전지는 더욱 섬세한 CMP 공정이 적용되어야 하며, 공정 가격을 높이는 요인이 된다. 하지만 실리콘-페로브스카이트 이중접합 태양전지와 마찬가지로, S. Albrecht 팀에서 SAM 물질을 활용하여 CMP 공정없이 이중접합 태양전지를 구현하는데 성공하였고, 앞으로의 귀추가 주목된다.
 
3-3. 페로브스카이트-페로브스카이트 이중접합 태양전지

페로브스카이트-페로브스카이트 이중접합 태양전지는 난징 대와 NREL의 협업을 통해 현지 26.4%까지 효율이 보고되었으 며, 공정 가격이 가장 낮아 주목받고 있는 태양전지이다. 높은 효율에도 불구하고 안정성이 낮아 상업화 하는 것에 있어 큰걸림돌이 된다.

이중접합 태양전지의 상부 태양전지로 사용되는 1.5 eV 이상의 밴드갭을 가지는 태양전지는 비교적 안정성 연구가 많이 되어 있어, 큰 문제는 없을 것으로 보이나, 페로 브스카이트-페로브스카이트 이중접합 태양전지에서 사용되는 1.5eV 이하의 밴드갭을 가지는 태양전지는 안정성 확보가 되지 않은 상황이다. 1.5 eV 이하의 밴드갭을 가지는 페로브스카이트 흡수층 제작을 위해서는 주석 성분을 일정량 이상 첨가하여야 하는데, 2가 주석이 4가 주석으로 쉽게 산화되어 페로브스 카이트 층의 안정성 확보가 매우 어렵다. 이를 위해 효율 저하가 없는 항산화제 등이 연구되고 있다.

4. 결론

이 보고서에서는 탠덤 태양전지의 등장배경, 구동원리에 따른 분류, 상하부 흡수 물질에 따른 분류 연구 동향에 대해 살펴 보았다. 특정 태양전지 기술이 최종 상용화 단계에 도달하기 위해서는 반드시 고효율, 공정의 용이성, 수명 안정성, 대면적 제작 가능성 등의 기술적 기준 뿐만 아니라 구성 재료의 가격경쟁 력, 인체, 환경친화성 등의 경제, 사회적 기준을 충족해야 한다.

제시한 탠덤 태양전지의 지속적 연구 개발이 진행되어 이러한 기준을 만족시켜 최종 양산화 가능한 기술이 되기를 기대한다.



5. 참고 문헌

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