Special 차세대 탠덤 태양전지 소재 및 모듈 기술 개발 동향(2)

고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 전하수송층 연구 동향

박익재_숙명여자대학교 신소재물리학부 부교수

1. 서론

최근 전 세계적으로 지정학적 패러다임의 전환기를 맞이하고 있다. 효율성을 극대화하기 위한 분업을 통한 세계화의 시대가 코로나 팬데믹을 맞이하며 취약성을 드러내게 되었다. 이에 따라 전세계 소비의 큰 축을 담당했던 미국이 자국 중심의 보호무역주의 강화를 주장하며 자국 내 생산 능력을 향상시키기 위한 리쇼어링(reshoring) 정책을 시작하였다. 이 가운데 최근 전쟁으로 인해 에너지 패권 경쟁이 심화됨에 따라 신재생에너지에 대한 관심이 다시금 늘어나고 있다. 그림 1과 같이, 중국은 태양광과 풍력의 전력 생산을 늘려 에너지 패권 경쟁에 대비하는 모습이다[1]. 

그림 1. 2025-2030년까지 전세계 지역별 전력 생산원 변화[1]

  또한, 전세계적으로 탄소중립에 대한 목표 달성을 위한 컨센서스가 마련된 가운데, 전기차의 점유율이 꾸준하게 상승하고 있고, 인공지능 기술의 급격한 발전에 따라 컴퓨팅 성능 경쟁이 이루어지면서 데이터센터 인프라 구축을 위한 경쟁이 심화되고 있다. 이 가운데 최근 큰 이슈로 떠오른 것이 바로 전력 부족 이슈이다. 따라서, 에너지 밀도 측면에서 전력생산 효율을 높이는 것이 매우 중요한 이슈가 되었고, 태양전지는 주요 에너지원의 후보군이 되었다. 

  현재 글로벌 태양광 시장의 90% 이상을 점유하고 있는 결정질 실리콘(c-Si) 태양전지는 이론 효율 한계에 거의 도달한 상태이다. 실리콘 소재의 밴드갭은 약 1.12 eV로, 단일접합(single-junction) 태양전지의 Shockley-Queisser limit 은 약 29.4%이다[2]. 이미 26% 후반의 효율을 기록하여 이를 돌파하기 위해서는 서로 다른 밴드갭을 갖는 소재를 적층하는 전략이 필요하다. 이를 탠덤 태양전지(tandem solar cell)라고 하며 실리콘을 하부셀, 약 1.7 eV 밴드갭의 페로브스카이트 소재를 상부층으로 사용하면 단일접합 태양전지에서 발생하는 고에너지 광자에 의한 열화 손실(thermalization loss)과 저에너지 광자의 비흡수 손실(non-absorption loss)을 줄일 수 있어 이론 한계 효율이 약 44%까지 증가한다[3].

 유무기 할라이드 페로브스카이트 소재는 흡수계수(adsorption coefficient)가 >104 cm-1으로 높아 500 nm 수준의 두께에서도 높은 단락전류밀도(short-circuit current density, JSC)를 얻을 수 있으며, 조성 제어를 통해 밴드갭 조절이 매우 용이하다[4,5]. 상대적으로 저온 공정이 가능하여 Passivated Emitter and Rear Cell(PERC)이나 Tunnel Oxide Passivated Contact(TOPCon) 등의 상용 실리콘 셀 뿐 아니라 Heterojunction with intrinsic thin layer (HIT) cell에도 적용이 용이하여 많은 연구가 이루어졌다[6-8].

  그림 2a와 같이, 페로브스카이트 태양전지는 전자와 정공 흐름의 방향에 따라 정구조(normal structure), 역구조(inverted structure)로 나뉘어진다. 정구조는 기판에서부터 n-type의 전자수송층, 페로브스카이트층, 정공수송층의 순서로 형성되며, 역구조는 전자수송층과 전하수송층의 공정 순서가 반대이다. 본론에서는 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조 및 종류와 고효율 탠덤 태양전지를 위한 전하수송층 연구를 소재와 공정을 위주로 다룬다.

2. 본론

2-1. 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지의 구조와 종류

그림 2. (a) (좌)정구조와 (우)역구조 페로브스카이트 소자, (b) (좌)4단자 및 (우)2단자 탠덤 태양전지, (c,d) 하위셀의 밴드갭 조합에 따른 2단자 및 4단자 탠덤 태양전지의 이론 효율[3]

탠덤 태양전지는 두 셀의 접합 방식에 따라 크게 2단자(two-terminal, 2T)와 4단자(four-terminal, 4T) 구조로 구분할 수 있다. 2단자 구조는 모놀리식(monolithic) 구조라고도 하며, 하나의 기판에 하부셀과 상부셀을 모두 형성한다. 상대적으로 적은 소재가 사용되기 때문에 제조 비용이 낮으나 공정 간 공정 호환성(용매, 온도 등)을 고려해야 하기 때문에 공정 난이도가 높고 고효율을 달성하기 위해 상하부셀의 전류밀도 매칭이 필수적이다. 따라서, 상하부셀 중 하나가 열화되게 되면 전체 소자의 효율이 급격하게 감소할 수 있다. 

  4단자 구조는 상부셀과 하부셀을 각각 제조하여 물리적으로 적층하고 이를 직렬 연결하기 때문에 하위셀이 각각 작동하는 특징이 있다. 이런 구조에서는 전류밀도 미스매칭에 의한 효율 감소가 미비하므로 상대적으로 넓은 범위의 밴드갭 소재 선정이 가능하다. 그림 2c,2d에서와 같이, 상하부셀의 밴드갭의 조합에 따른 이론 효율이 4단자에서 더 넓은 것을 확인할 수 있다. 그러나, 2개의 단자가 추가되기 때문에 상대적으로 비용이 높고 입사광의 손실이 많다. 따라서, 최근의 연구는 대부분 2단자 탠덤 태양전지에 초점이 맞춰져 있다. 

  단일접합의 경우, 정구조의 소자가 역구조 소자 대비 높은 효율을 기록하고 있으나, 탠덤에 적용하는 경우, 단일접합 소자에서의 입사광의 방향과 탠덤 소자에서의 방향이 반대이기 때문에 상부 전극층의 형성 측면에서 역구조가 유리하다. 정구조 소자에서 가장 널리 쓰이는 정공수송층 물질인 spiro-MeOTAD는 최적의 두께 조건에서 자외선 근처 가시광 영역의 흡수율이 높기 때문에 광포집에 크게 불리하다[8]. 또한, 빛이 소자 상부로 입사되어야 하기 때문에 투명전극 산화물층(transparent conducting oxide, TCO)을 형성해야 하는데 TCO 증착은 대부분 스퍼터링(sputtering) 방법을 통해 형성된다. 그러나, 공정 중 페로브스카이트층이 플라즈마에 의해 손상되기 쉽기 때문에 추가적인 보호층이 필요한데, 역구조에서는 원자층증착법(atomic layer deposition, ALD)로 증착 가능한 적절한 소재가 있는 반면, 정구조의 경우 공정이 용이하지 않다. 따라서, 대부분의 최신 고효율 페로브스카이트-실리콘 탠덤 태양전지 연구는 역구조를 채택하고 있다. 후술할 self-assembled monolayer (SAM)의 도입과 텍스쳐링된 실리콘 (textured silicon) 하부셀 도입을 기점으로, 단일접합 태양전지의 이론 효율을 넘는 30% 이상 효율의 소자 연구들이 보고된 이래로 매우 빠른 속도로 연구가 진행되어 현재 35%의 최고 인증 효율을 기록하고 있다[9]. 그러나, 탠덤 태양전지는 여전히 효율 향상의 여지가 많으며, 전하수송층 소재 및 계면 제어는 효율과 안정성 측면에서 매우 중요한 이슈이다.

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<본 기사는 일부 내용이 생략되었습니다. 자세한 내용은 세라믹코리아 2026년 5월호를 참조바랍니다. 정기구독하시면 지난호보기에서 e-북, PDF 전체를 열람하실 수 있습니다.>