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사이언스조선과학

“온도 오르는 속도만 바꿔도 태양전지 효율 ‘쑥’”

국내 연구진, 제작 공정에서 ‘빠른 온도 상승’으로 성능 개선 확인

박수현 기자

입력 2025.10.20. 11:44업데이트 2025.10.20. 11:46

안티모니 셀레나이드(Sb₂Se₃) 구조 설명도./위키미디어

국내 연구진이 태양전지 제작 과정에서 온도를 얼마나 빨리 올리느냐에 따라 효율을 크게 높일 수 있는 기술을 개발했다.

대구경북과학기술원(DGIST) 양기정·김대환 에너지환경연구부 책임연구원 연구진과 김준호 인천대학교 교수 연구진은 소재를 열로 가공할 때 온도를 빠르게 올리면 결정이 규칙적으로 성장하고 결함이 줄어 전류가 원활히 흐른다는 사실을 확인했다고 20일 밝혔다.

연구진이 사용한 안티모니 셀레나이드(Sb₂Se₃)는 카드뮴이나 납 등 유해 물질 없이 지구에 풍부한 안티모니와 셀레늄만으로 만든 친환경 소재다. 이 소재는 빛을 잘 흡수하고 열과 화학 반응에도 강해 튼튼하며, 저비용으로 대량 생산이 가능하다.

기존 소재는 결정이 불규칙하게 자라고 결함이 많아 전류가 원활히 흐르지 못해 효율이 낮았다. 연구진은 이를 해결하기 위해 태양전지를 만드는 과정에서 온도를 올리는 속도, 즉 결정 성장 속도를 조절하는 방법을 실험했다.

그 결과, 온도를 빠르게 올리면 결정이 일정한 방향으로 가지런히 자라고 결함이 줄어 전류가 막힘없이 흘렀다. 반대로 천천히 올리면 결정이 제각각 형성되고 결함이 많아져 전류 흐름이 방해받았다. 연구진은 주사전자현미경, X선 회절 등 다양한 장비를 활용해 이를 정밀하게 확인했다.

실험 결과, 온도를 빠르게 올리면 결정이 일정한 방향으로 가지런히 자라고 결함이 줄어 전류가 막힘없이 흐르는 것으로 확인됐다. 반대로 온도를 천천히 올리면 결정이 제각각 형성 결함이 많아지고 전류 이동이 방해 받았다. 연구진은 이를 주사전자현미경, X선 회절, 자외선광전자분광법 등 다양한 분석 기법으로 확인했다.

양 DGIST 책임연구원은 “이번 연구는 안티모니 셀레나이드 태양전지의 핵심 문제였던 결정 방향성과 결함 문제를 해결할 단서를 제공했다”며 “공정 초기 결정 성장 속도만 조절해도 소재의 잠재력을 극대화할 수 있어, 상용화와 대면적 모듈 개발에 큰 도움이 될 것”이라고 말했다.

연구 결과는 지난달 에너지 분야 세계적 학술지인 ‘재료 화학 저널 A (Journal of Materials Chemistry A)’에 게재되며 속표지 논문으로 선정됐다.

참고 자료

Journal of Materials Chemistry A(2025), DOI: https://doi.org/10.1039/D5TA05256D

DGIST-인천대-광운대, 은 첨가기술로 박막 태양전지 성능 높인 기술 개발

대구경북과학기술원(DGIST·총장 이건우)은 에너지환경연구부 양기정·김대환·강진규 책임연구원팀이 김준호 인천대학교 물리학과 교수팀, 구상모 광운대학교 전자재료공학과 교수팀과 공동으로 케스터라이트(CZTSSe) 박막태양전지의 성능을 크게 개선하는 연구성과를 냈다고 21일 밝혔다.

이번 연구는 태양전지 내 은(Ag)을 도핑하는 새로운 방법을 통해 전지 성능을 저해하는 결함을 억제하고, 결정 성장을 촉진해 효율을 획기적으로 높여 상용화 발판을 마련했다는 평가다. 

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

연구팀은 이러한 문제를 해결하기 위해 은을 태양전지 전구체에 도핑하는 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 이번 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 도핑할 경우, 오히려 아연과 구리의 합금 형성을 방해해 아연이 벌크 형태로 남아 결함 클러스터가 형성된다는 사실도 밝혀냈다. 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. 더 나아가 은 도핑에 의해 형성되는 액상 물질이 결정 성장을 촉진해 흡수층의 밀도와 결정성이 크게 개선된다는 사실도 발견했다. 이번 연구결과는 저비용으로 고성능 태양전지를 생산하는 데 크게 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 

양기정 책임연구원은 “기존에 명확하게 밝혀지지 않았던 은 도핑의 효과를 공정 단계별로 분석해 은이 주석 손실을 억제하고 결함을 개선하는 역할을 한다는 것을 밝혀냈다”며 “이번 연구로 태양전지의 효율 향상을 위한 은 도핑 전구체 구조 설계에 중요한 통찰을 제공했으며, 다양한 태양전지 기술 발전에 기여할 것”이라고 말했다. 

과학기술정보통신부 원천기술개발(단계도약형 탄소중립기술개발) 및 미래선도형특성화연구(그랜드챌린지연구혁신프로젝트(P-CoE)) 사업을 통해 수행된 이번 연구성과는 최근 에너지 분야 최상위 국제 학술지인 '에너지와 환경 과학(Energy & Environmental Energy)'에 온라인 게재됐다.