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Research

DGIST, 플렉시블 CZTS계 박막태양전지 세계 최고 효율 달성

  • 조회. 554
  • 등록일. 2019.09.10
  • 작성자. 홍보팀

DGIST, 플렉시블 CZTS계 박막태양전지 세계 최고 효율 달성
- DGIST 에너지융합연구부, 세계최고수준의 광전변환 효율 달성
- 다양한 분야에 응용 가능한 플렉시블 태양전지 상용화에도 큰 기대

 

 

 DGIST(총장 국양)는 에너지융합연구부 강진규 박사 연구팀이 플렉시블 CZTS계 박막태양전지의 광전변환1) 세계최고 수준인 11.4%의  효율을 달성했다고 10일(화) 밝혔다. 이번 연구를 통해 향후 미래 태양광 기술과 차세대 박막태양전지 산업 발전에 큰 기여를 할 것으로 기대된다.

 플렉시블 CZTS계 박막태양전지는 플렉시블 기판기술을 기반으로 웨어러블, 건물, 자동차 등 실생활의 다양한 분야에 응용가능하다. 또한 저가의 친환경 범용소재를 사용함으로 차세대 태양광 기술로 각광받고 있어 전 세계적으로 연구가 이뤄지고 있지만, 플렉시블 기판의 불순물 확산, 박리 등 기술적인 문제로 광전변환 효율이 10%를 넘지 못하는 실정이었다. 

 이에 연구팀은 독보적인 연구를 진행하며 이번 연구에서 11.4%의 세계최고 효율을 공인 받았다. 특히 이번 성과가 주목받는 이유는 저비용·친환경 소재인 청동(Cu-Sn)과 황동(Cu-Zn)을 이용하기 때문에 고가인 인듐이나 중금속재료인 납, 카드뮴을 이용하는 기존의 박막 태양전지(CIGS, CdTe, 페로브스카이트2))에 비해 대량 생산에 훨씬 유리하다.

 이번 연구의 큰 성과 중 하나는 기존의 3층 구조 CZTS계 박막태양전지 전구체를 다층 구조로 바꿔 전압 특성 및 균일도를 개선해 효율을 향상시킨 점이다. 또한 일반적으로 박막태양전지에 대면적 공정(Large-area process)이 적용될 경우 균일도가 떨어지는 문제가 발생하는데, 본 연구의 공정기술은 효율 개선뿐 아니라 균일도 면에서도 개선된 성과를 보였다. 

 연구의 공정기술 개발을 주도한 양기정 박사는 “본 성과는 상용화 단계에서 이슈가 될 수 있는 대면적 공정의 균일도 확보 방안을 제시했다.”며 “건물 외벽 적용 등 다양한 분야에서 활용 가능한 차세대 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다.”고 밝혔다.

 아울러 본 연구의 과제책임자인 강진규 책임연구원은 “환경에 대한 관심이 높아지고 자원이 무기처럼 사용되는 지금, 범용·친환경 소재를 활용한 박막태양전지 분야에서 성과를 낸 것은 의미가 크다.”며, “앞으로도 범용소재를 활용하는 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 더 나아가 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다.”고 계획을 밝혔다. 

 본 연구성과는 산업통상자원부 산하 한국에너지기술평가원의 지원으로 ‘범용무독성 광흡수층 기반 플렉시블 무기 박막태양전지개발’ 과제로 수행 중이며, 해당 성과를 바탕으로 박막태양전지 연구센터를 설립 예정이다. 관련 전구체 설계 기술은 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’에 7월 4일자 게재됐다. 

1) 광전변환 : 빛에너지를 전기에너지로 변환하는 것.
2) 페로브스카이트(Perovskite) : 전기전도성이 뛰어난 결정구조로 메틸암모늄, 포름아미디늄과 무기물, 유기물 등을 섞어 만든 물질. 일반 태양전지와 마찬가지로 빛을 받으면 전자를 만들어내며 전기를 생산한다. 


    연구결과개요    


Flexible Cu2ZnSn(S,Se)4 solar cells with over 10% efficiency and methods of enlarging the cell area

Kee-Jeong Yang, Sammi Kim, Se-Yun Kim, Kwangseok Ahn, Dae-Ho Son, Seung-Hyun Kim, Sang-Ju Lee, Young-Ill Kim, Si-Nae Park, Shi-Joon Sung, Dae-Hwan Kim, Temujin Enkhbat, JunHo Kim, Chan-Wook Jeon & Jin-Kyu Kang 
(Nature Communications, Online published on 4th  July, 2019)

 이번 연구 성과에서는 플렉시블 CZTS계 박막태양전지의 효율을 향상시키기 위해 다층 구조의 전구체를 설계하였고, 그 결과 전압특성 및 균일도가 개선됐다. 이런 성과는 효율 개선뿐만 아니라, 플렉시블 CZTS계 박막태양전지의 상용화 측면에서 대면적 공정을 위한 방안을 제시했다는 점에서 의미가 있다. 이 연구 결과를 통해서 건물 등 다양한 분야에 적용이 가능한 차세대 플렉시블 태양전지의 상용화를 앞당길 수 있을 것으로 기대된다. 이런 성과를 인정받아 세계적인 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 논문이 게재되었다. 
 본 태양전지는 과거부터 인류가 사용해왔을 정도로 범용성을 갖고 있는 청동(Cu-Sn), 황동(Cu-Zn)을 재료로 하고 있다. 다른 박막 태양전지(CIGS, CdTe, 페로브스카이트)는 고가(인듐, 갈륨), 유독성(카드뮴), 중금속(납) 재료를 사용하는 단점을 갖고 있다. CZTS계 태양전지는 태양전지가 대량으로 보급될 것으로 전망되는 미래에 범용·친환경 소재를 사용할 수 있다는 것이 장점이다. 특히 최근 이슈화 되고 있는 자원의 무기화 측면에서도 범용성을 띈 재료를 사용하는 것은 큰 이점이 될 수 있다. 다만, 저가·무독성 소재를 활용하면서 타 소재를 활용한 태양전지보다 효율이 아직은 상대적으로 낮은 편이지만 상용화된 태양전지의 효율 수준으로 올리기 위해 한국, 유럽, 중국, 미국, 일본, 호주 등 국제적으로 상호 협력을 하면서 연구를 추진 중이다.


    연구결과문답    


Q. 이번 성과 무엇이 다른가?
 다층 구조 도입을 통해 전압 특성 및 균일도를 개선하였고, 그 결과 플렉시블 CZTS계 태양전지 세계최고 광전변환 효율을 달성했을 뿐 아니라, 이번 연구 성과를 통해 상용화를 고려한 대면적 공정 방안을 제시하였다. 이런 연구 내용을 기술한 논문이 세계적으로 저명한 학술지인 네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)에 게재되었다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?
본 태양전지는 과거부터 널리 사용하던 청동(구리, 주석), 황동(구리, 아연)과 황, 셀레늄을 원료로 하는 태양전지이다. 고가의 원료(인듐, 갈륨)를 사용하는 CIGS, 유독성 원료(카드뮴)를 사용하는 CdTe, 중급속(납)을 사용하는 페로브스카이트와 달리 저렴하고 무독성 원료를 사용하는 만큼 태양전지가 대량 생산 및 보급될 것으로 예측되는 미래형 태양전지로 주목을 받고 있다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?
무독성, 저가 원료를 사용하여 다른 박막 태양전지에 비해 비교적 낮은 효율을 갖고 있다. 따라서 당장 실용화가 어렵지만, 한국, 유럽, 미국, 일본, 호주 등 국제적인 연구가 경쟁 및 상호 협력 관계 속에서 활발히 이뤄지고 있는 만큼, 5~10년 내에 실용화가 가능한 연구 성과들이 나올 것으로 기대되고 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?
상용화된 CIGS 박막 태양전지는 고가, 희소 금속인 인듐 갈륨, CdTe는 유독성인 카드뮴, 페로브스카이트는 중금속인 납을 사용하여 대량 생산 및 보급이 되는데 한계점을 갖고 있다. 범용, 무독성 원료를 이용한 태양전지를 개발한다면, 미래에도 안정적이고 저렴한 가격으로 태양전지를 생산하고, 안전하게 사용할 수 있을 거란 생각에 연구를 시작하게 되었다.

Q. 어떤 의미가 있는가?
이번 성과는 플렉시블 CZTS계 박막태양전지의 효율을 10%를 넘는 수준으로 끌어올렸을 뿐 아니라, 넓은 면적에서 균일도를 개선하는 효과를 만들었다. 이는 플렉시블 CZTS계 박막태양전지가 실용화 단계로 가기 위해 반드시 고려해야 하는 대면적 공정에서 균일도 문제를 다룰 방안을 제시했다는 의미가 있다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?
플렉시블 CZTS계 태양전지의 효율을 실용화 가능한 수준까지 올리는 것이 목표이다. CZTS계 태양전지는 범용, 무독성이라는 이점을 바탕으로 미래의 태양전지가 되기 위한 충분한 잠재력을 갖고 있다. CZTS계 태양전지의 실용화를 앞당기고, 나아가 태양전지 산업 발전에 이바지하는 목표를 이루고 싶다.


    그림 설명    

(그림 1) 플렉시블 CZTS계 박막태양전지

(그림 2) CZTS계 태양전지의 기존방식인 3층 구조(좌)와 새로 개발한 다층구조(우) 비교 모식도.

 

(그림 3) CZTS계 태양전지의 기존방식인 3층 구조(좌)와 새로 개발한 다층구조(우)의 효율 균일도 차이 모식도

 

(그림설명) 앞서 보여준 그림 2의 구조로 태양전지를 만들고 난 후, 균일도 차이를 측정한 모식도. 기존의 3층 구조는 균일도가 떨어져, A와 B 위치에서 효율 차이가 심하며, 전체 효율이 떨어짐. 이런 효율 차이는 대면적 공정에서 심화될 가능성이 높음.


    논문 바로보기      ☞  Nature Communications

 

 

 

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