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Research

친환경 태양전지, 불량 원인 꽉 잡아 발전 효율 높인다!

  • 조회. 158
  • 등록일. 2022.07.12
  • 작성자. 대외협력팀

- DGIST 박막태양전지연구센터·경남대 신소재공학과 공동연구팀, 범용 소재 박막태양전지 기공 형성 원인 규명 및 억제 기술 개발

- 기공 형성 억제를 통한 친환경 범용 소재 박막태양전지 개발 전략 제시

 

 DGIST(총장 국양) 박막태양전지연구센터(센터장 강진규)는 경남대학교(총장 박재규) 신소재공학과 김세윤 교수 연구팀과 함께 친환경 범용 소재 박막태양전지인 CZTS 박막태양전지의 문제점인 기공 형성 원인을 규명하고 이를 억제하는 기술을 개발했다고 12() 밝혔다.

 태양의 빛 에너지를 전기 에너지로 변환시켜 전기를 발생하는 태양전지는 지속가능한 신재생 에너지로 실생활에서도 쉽게 찾아볼 수 있다. 그중에서도 CZTS 박막은 값이 싸고 독성이 거의 없는 구리, 주석, 아연을 주요 소재로 사용하기 때문에 대량생산이 용이하다. 또한, 휘어지는 성질을 가지고 있어 여러 분야에 적용 가능하다. 지난 2019, DGIST 박막태양전지연구센터에서 12.6%라는 세계 최고의 발전전환 효율을 기록한 태양전지를 개발하기도 했으나, 아직 하부 전극 부근에서의 다양한 크기의 구멍이 생기는 등(기공 결함) 여러 결함에 대한 해결책이 필요한 실정이었다.

 이에 DGIST 박막태양전지연구센터와 경남대학교 김세윤 연구팀은 CZTS 박막태양전지의 문제점인 흡수층 하부에 존재하는 기공의 형성 원인을 규명하였다. 비교적 간단한 원리로 기공 결함을 제어할 수 있는 기술을 개발하여 더 큰 의의를 갖는다. CZTS 흡수층은 구리, 아연, 주석을 임의의 순서로 코팅한 후, 고온에서 황 및 셀레늄과 반응하여 제작한다. 이 때 아연을 제일 먼저 코팅할 경우 큰 크기의 기공은 형성되지 않음을 확인하였다. 이는 기공 형성을 억제할 수 있는 원천 기술로서, CZTS계 박막태양전지의 발전 효율을 더욱 높일 수 있을 것으로 기대된다.

 DGIST 김대환 책임연구원은 이번 연구의 핵심성과로서 일반적인 모델과는 다른 새로운 기공 형성 억제 모델을 제시한 것과, 간단한 방법을 통해 기공 결함 형성을 억제할 수 있는 기술을 개발한 것을 들 수 있다.”라고 하였다.

 경남대학교 김세윤 교수는 본 연구에서 금속 박막의 증착 순서를 변경하여 초기 반응 시의 미세 구조 변화를 유도하였고 이를 통해 기공 형성을 억제할 수 있었다.”추가적으로, 크기가 다른 두 종류의 기공을 한 번에 해결하는 공정 기술을 확보하기 위해 노력하겠다.”고 계획을 밝혔다.

 이번 연구는 경남대학교 김세윤 교수와 DGIST 박막태양전지연구센터 김승현 연구원이 제1저자, 동 센터 김대환·강진규 책임연구원이 교신저자로 참여했다. 연구결과는 재료 분야의 저명 학술지인 에이씨에스 어플라이드 머트리얼 앤 인터페이스(ACS Applied Materials and Interface, IF 9.29)”20220616일 온라인 게재되었으며 동시에 표지 논문으로도 선정됐다.

 

 

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연구결과개요

Effect of Metal-Precursor Stacking Order on Volume-Defect Formation in CZTSSe Thin Film: Formation Mechanism of Blisters and Nanopores

(Se-Yun Kim, Seung-Hyun Kim, Dae-Ho Son, Hyesun Yoo, Seongyeon Kim, Sammi Kim, Young-Ill Kim, Si-Nae Park, Dong-Hwan Jeon, Jaebeak Lee, Hyo-Jeong Jo, Shi-Joon Sung, Dae-Kue Hwang, Kee-Jeong Yang, Dae-Hwan Kim, Jin-Kyu Kang)

(ACS Applied Materials and Interface, on-line published on June, 16st, 2022)

 

본 연구는 CZTSSe 박막 태양전지에서 blister nanopore와 같은 3차원 결함의 형성에 대한 금속 전구체의 적층 순서의 영향을 조사했다. 세 가지 유형의 금속 전구체 조합, Zn/Cu/Sn/Mo, Cu/Zn/Sn/Mo Sn/Cu/Zn/Mo를 사용하여 CZTSSe 박막을 제작하고 blister형성원인을 연구했다. 블리스터 형성 메커니즘은 압축응력 및 접착특성을 고려한 박리 모델을 기반으로 설명하였다. 압축응력은 ZnSSe 쉘이 우선적으로 형성되는 동안 유도되는 것을 예상할 수 있다. 이 응력 하에서 ZnSSe 필름과 Mo 기판 사이의 접착은 사용되는 금속 전구체의 유형에 따라 습윤성이 좋은 금속 액체상의 표면 장력 또는 앵커로 ZnSSe 기둥의 기능에 의해 유지될 수 있다. 또한, 후면 접촉면 근처의 나노 기공 형성은 Cu/Zn/Mo 적층 순서를 갖는 금속 전구체의 Cu-Zn 합금으로 이루어진 기둥형 미세구조 및 탈아연 현상에 의해 유도되는 것으로 밝혀졌다. 여기에 제안된 두 가지 체적 결함 형성 메커니즘을 기반으로 체적 결함 형성 억제 기술의 추가적인 발전이 기대된다.

 

 

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연구결과문답

Q. 이번 성과 무엇이 다른가?

- DGIST 박막태양전지연구센터가 개발한 태양전지는 발전전환 효율이 12.6%, 진공공정기반의 CZTS 박막태양전지 중 세계 최고기술을 확보하고 있으나, 3차원 결함인 이차상과 다양한 크기의 공공에 대한 해결책이 필요한 실정이었다.

- 현재 차세대 CZTS 박막태양전지의 문제점중 하나인 blister nanopore 형성 원인을 최초로 규명하고 이를 전구체의 적층 순서 및 미세구조 제어를 통해서 해결할 수 있음을 최초로 제시하였다.

Q. 어디에 쓸 수 있나?

범용원소 기반 무독성 CZTS 박막태양전지는 고가의 인듐, 갈륨이 필수소재인 CIGS 박막태양전지나 중금속인 납을 포함하는 페르보스카이트 태양전지가 가진 한계를 해결하기 위한 대안으로서 전세계에서 활발히 연구가 진행중이다. DGIST 박막태양전지연구센터가 개발한 태양전지는 발전전환 효율이 12.6%, 세계 수준의 기술을 확보하고 있으나, 3차원 결함인 이차상과 다양한 크기의 공공에 대한 해결책이 필요한 실정이었다. 본 연구결과는 3차원 결함중 blister nanopore형성을 억제할 수 있는 기술이다.

Q. 실용화까지 필요한 시간과 과제는?

CZTS계 박막태양전지는 CIGS 박막태양전지에 비하여 효율이 낮은 상태다. 그렇지만, 전 세계적으로 효율 개선을 위한 연구가 활발히 이뤄지고 있는 만큼, 실용화가 가능한 혁신적인 연구 성과들이 나올 것으로 기대되고 있다.

Q. 연구를 시작한 계기는?

CZTS 박막태양전지는 저렴하고 독성이 거의 없는 구리·주석·아연을 주요 소재로 활용한다. 고가의 인듐, 갈륨이 소재인 CIGS 박막태양전지나 유독성 중금속인 납을 포함되는 페로브스카이트와는 달리 소재 관점에서 장점을 지닌다. 미래 태양전지의 대량 보급을 고려할 때, 발전 효율의 제약을 가지고 있지만, 범용의 저가 소재만으로 구성된 태양전지를 긴 관점에서 개발할 필요가 있다고 생각하였다.

Q. 어떤 의미가 있는가?

이번 연구의 큰 성과 중 하나는 지금까지의 blister 형성기구와는 다른 새로운 모델을 제시한 것과, 이를 기반으로 간단한 방법을 통해 3차원 결함형성을 억제할 수 있는 기술을 개발한 것이다. 전구체 적층순서 및 전구체의 초기 미세구조를 제어하여 blister nanopore형성을 억제하는 기술을 평가받아 ACS Applied Materials and Interface 저널에 발표되었다.

Q. 꼭 이루고 싶은 목표는?

앞으로도 범용소재를 활용하는 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다.

 

 

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그림설명

[그림 1] 금속전구체 적층순서에 따른 3차원 결함 형성 차이
그림 1. 금속전구체의 적층순서에 따른 미세구조 및 이를 이용한 CZTSSe 광흡수층의 미세구조 


그림 2. 금속전구체의 적층순서에 따른 blister 및 nanopore 형성기구에 대한 모식도


(그림설명1) Zn middle 전구체(Cu/Zn/Sn/Mo/SLG)를 사용하여 CZTSSe 박막을 합성할 경우 blister 가 형성되는 반면, Zn bottom 전구체(Sn/Cu/Zn/Mo/SLG)를 사용할 경우 blister 형성은 관찰되지 않으나, CZTSSe/Mo 계면에 nanopore가 형성되는 것을 확인하였음.  Zn bottom 전구체의 적층순서와 미세구조에 의하여, ZnSSe 층이 형성될 때 발생되는 압축응력을 견디게 됨에 따라 blister가 형성되지 않는다는 것을 확인 할 수 있었음. 또한 Zn bottom 전구체를 사용할 경우 Cu/Zn/Mo 적측시 형성된 주상구조와 열처리시 탈아연 현상에 의해 nanopore 가 형성되며 잔존하는 것을 확인하였음. 

 

 

 

 

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