DGIST 에너지융합연구부 양기정·김대환, 박막태양전지연구센터 강진규 센터장 연구원팀은 인천대학교 물리학과 김준호 교수팀과 공동연구를 통해 캐스터 라이트 박막태양전지의 어드미턴스 분광분석을 통해 박막태양전지 특성 저하의 원인이 되는 흡수층 내 결함 에너지 준위를 제시하고 결함의 종류를 구체적으로 규명했다고 4월 4일 밝혔다.
 
이번 연구는 과학기술정보통신부 원천기술개발(단계도약형 탄소중립기술개발) 및 미래선도형특성화연구(그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)) 사업을 통해 수행했으며, 에너지 분야 최상위 국제 학술지인 ‘카본 에너지 (Carbon Energy, IF=21.556)’에 3월 10일 자 온라인 게재됐다.
 
이는 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생하는 ‘태양전지’는 지속가능한 신재생 에너지로 실생활에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 그중에서도 케스터라이트 박막태양전지는 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄의 범용원소로 구성되어 자원의 편중과 수급 불안정 해소에 이점이 있다.
 
그러나, 현재까지도 효율이 낮아 산업 생태계 구축 및 시장 확대를 위해 극복해야 할 단점으로 지적받고 있다. 낮은 효율을 극복하기 위해서는 케스터라이트 광 흡수층 내에 존재하는 결함 특성에 대한 이해가 매우 중요하다.
 
태양전지 광 흡수층 내 결함은 캐리어(전자-정공)의 재결합 손실의 원인이 되며, 결함 클러스터는 광 흡수층 내 밴드갭(에너지 흡수대) 변형의 원인이 되어 캐리어의 확산 길이와 수명을 단축하게 한다. 이러한 특성에 영향을 미치는 결함과 결함 클러스터를 식별하는 것은 매우 중요하다.
 
본 연구에서는 어드미턴스 분광분석(Admittance spectroscopy, AS)을 이용하여 깊이별로 표면이 연마된 케스터라이트 광흡수층 내의 결함 및 결함 클러스터 특성을 관찰했다. 이를 이용하여 광 흡수층 내 원소 변화가 큰 영역에서 결함과 결함 클러스터의 형성이 쉽고, 150meV 이상의 깊은 에너지 준위를 갖는 결함은 케스터라이트 박막태양전지 특성을 급격하게 저하했음을 확인했다.
 
케스터라이트 박막태양전지는 캐리어의 이동도가 낮아서 광흡수층 표면에서 결함에너지준위가 깊어짐에 따라 캐리어 확산 길이가 더욱 감소하게 되어 전류 특성이 감소하는 것을 확인했다. 이로 인해 결함에 기인한 밴드갭 변동의 큰 진폭은 높은 캐리어 재결합과 짧은 캐리어 수명을 유발해 전압 및 전류 특성이 감소하는 것을 특성 저하의 주요 원인으로 제시했다.
 
본 연구는 케스터라이트 태양전지의 효율을 향상하게 시키기 위해서는 광흡수층 계면에서 에너지 준위가 깊은 결함의 형성을 억제하는 것이 중요하고, 실험을 통한 결과로부터 깊은 에너지준위의 범위를 150 meV 이상으로 제시하고 결함의 종류를 구체적으로 확인한 연구 결과로 그 가치가 매우 높다고 할 수 있다.
 
DGIST 에너지융합연구부 양기정 책임연구원은 “이러한 연구 방법은 케스터라이트 박막태양전지 뿐만 아니라 여러 다른 태양전지 연구 분야에 대해 결함 특성을 이해하고 효율을 향상시킬 수 있는 방향을 제시할 수 있을 것으로 기대된다”라고 말했다.