Special 차세대 탠덤 태양전지 소재 및 모듈 기술 개발 동향(1)

대면적 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지 구현을 위한 기술 동향

윤성원_한국과학기술연구원 차세대태양전지연구센터 박사후연구원

김준형_한국과학기술연구원 차세대태양전지연구센터 석사과정

진아현_한국과학기술연구원 차세대태양전지연구센터 석사과정

손해정_한국과학기술연구원 차세대태양전지연구센터 책임연구원

1. 서론

신재생 에너지는 기후위기를 극복하고 나날이 증가하고 있는 탄소중립, Renewable Energy 100% (RE100)등과 같은 수요에 대응하기 위한 가장 효율적인 에너지로 주목을 받고 있다. 이러한 신재생 에너지 중에서도 태양전지를 사용하는 태양광 발전은 무한에 가까운 에너지원인 태양광을 이용하여 에너지를 생산할 수 있어 대표적인 신재생 에너지원으로서 빠르게 성장하고 있다. 결정질 실리콘(crystalline Si)은 가장 널리 사용되는 태양전지 소재로, 수십 년에 걸쳐 제조 기술이 발전함에 따라 광전변환효율이 꾸준히 상승하여 현재 28%에 가까운 효율을 보이고 있다[1]. 그러나 이러한 결정질 실리콘은 흡광 계수가 103 cm-1 수준으로 매우 낮기 때문에, 충분한 수준의 흡광을 위해서는 수 백 마이크로미터 수준의 매우 두꺼운 두께가 필요하고, 이에 따라 제작한 태양전지 패널이 무거워지게 된다. 이러한 낮은 흡광 계수 외에도 결정질 실리콘은 기계적으로 유연하지 않기 때문에 건물 일체형 태양전지(Building-integrated photovoltaics, BIPV)나 웨어러블 소자와 같은 미래형 소자에 효과적으로 적용하기 어렵다고 할 수 있다. 

  이러한 문제점은 고분자와 같은 유기 반도체나 페로브스카이트와 같은 차세대 반도체 소재를 광활성층으로 적용하면 해결할 수 있다. 유기 반도체와 페로브스카이트 모두 105cm-1 수준으로 매우 높은 흡광 계수를 가지는데, 이에 따라 수 백 nm의 얇은 두께로도 충분한 수준으로 태양광을 흡수할 수 있어, 결정질 실리콘에 비해 훨씬 가벼운 태양광 패널 제작이 가능하다. 또한 롤투롤(roll-to-roll) 공정과 같이 비용이 저렴한 연속 용액공정을 통해 광활성층을 제작할 수 있기 때문에 높은 온도로 결정을 성장시켜야 하는 결정질 실리콘에 비해 공정적으로도 더 저렴하게 제작할 수 있다. 그리고 유기 반도체의 경우 유연성이 우수한 특성이 있기 때문에, 상기 미래형 소자에 적용하기에 더욱 용이하다고 할 수 있다. 이러한 유기 및 페로브스카이트를 기반으로 하는 태양전지는 연구 초기에는 매우 낮은 효율을 보였지만, 최근에는 유기 태양전지는 20% 이상[2-4], 페로브스카이트 태양전지는 27% 이상의 효율이 보고되면서[5-7], 상기 결정질 실리콘 태양전지의 성능에 비견하는 결과가 보고되기 시작하였다.

  기술이 발전함에 따라 태양전지의 효율은 점차 향상되었지만, 단일 광활성층을 사용하는 단일 접합 태양전지의 경우 열역학적으로 약 33.7%의 최대 효율을 지니는 것으로 알려져 있어[8], 현재 이러한 단일 접합 태양전지의 열역학적 한계를 극복할 수 있는 새로운 기술 개발이 필요한 실정이다. 탠덤 기술은 이러한 이론적인 한계를 극복할 수 있는 대표적인 기술 중 하나로, 태양광 스펙트럼에서 자외선 영역을 포함하는 고에너지 영역을 흡수할 수 있는 광활성층과 적외선 영역을 포함하는 저에너지 영역을 흡수할 수 있는 광활성층을 함께 하나의 태양전지 구조에 적용하는 기술로, 두 광활성층을 적용할 경우 최대 약 42%의 효율까지 구현이 가능한 것으로 예측되었다[9]. 이러한 탠덤 태양전지의 두 광활성층은 직렬 구조로 연결된 형태로, 이 때문에 탠덤 태양전지의 전류량은 두 광활성층에서 생성되는 전류량 중 낮은 쪽의 전류량으로 제한되는 특징이 있다. 이러한 전류량의 차이를 최소화하여 탠덤 소자에서 생성되는 전류량을 극대화하기 위해서는 두 광활성층의 밴드갭을 정밀하게 제어하는 것이 가장 중요한데, 유기 반도체는 소재의 분자 구조를, 페로브스카이트는 소재의 조성을 제어하여 밴드갭을 정밀하게 조절할 수 있기 때문에 두 소재 모두 탠덤 태양전지에 적용하기에 매우 적합하다고 할 수 있다.

  한편, 태양전지 기술의 실질적인 상용화를 위해서는 넓은 면적에서 균일한 태양전지를 구현하는 것이 태양전지의 고효율화만큼이나 중요한 이슈인데, 이는 광활성층을 넓은 면적으로 제작하게 되면 건조 및 결정화 과정에서 위치별로 다른 박막 형성 양상을 보이고, 그에 따라 불균일한 광활성층을 형성하게 되어 소자의 성능이 감소할 수 있기 때문이다. 따라서 이러한 탠덤 태양전지의 상용화를 위해서는 소자 효율의 고도화뿐만 아니라 대면적화에 따른 성능 감소 최소화를 위한 연구도 함께 필요하다고 할 수 있다. 본 원고에서는 대면적 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지(Perovskite-organic tandem solar cells, POTSCs)를 구현하기 위한 다양한 기술들을 소개하고, 이를 기반으로 추후 발전 방향에 대해 이야기하고자 한다. 이어지는 본론에서 현재까지 보고된 대면적 POTSC의 사례들을 구체적으로 살펴보겠다.

2. 본론

그림 1. 연도별 페로브스카이트-유기 탠덤 태양전지 소면적 단위 소자와 대면적 모듈의 효율 변화

두 광활성층이 하나로 연결된 단일 구조(monolithic) 형태의 POTSC는 2015년 Yang Yang 연구팀에 의해 최초로 보고되었다[10]. 이후 약 10년에 걸쳐 위의 그림 1과 같이 10.2%의 광전변환효율을 시작으로 다양한 기술 개발과 함께 급격히 발전하였고, 2025년 6월에 27.5%의 효율이 보고되어, 유기 및 페로브스카이트 단일 접합 태양전지의 성능을 능가하는 사례가 처음으로 보고되었다[11]. 한편 모듈 소자의 경우 아래의 그림 2와 같이 여러 단위 소자가 직렬로 연결된 형태이기 때문에, 서론에서 언급한 탠덤 소자에서의 경우와 마찬가지로 모듈에서 생산되는 전류량이 모듈을 구성하는 서브셀 중 생성되는 전류량이 가장 작은 서브셀에 제한된다. 이를 최소화하고 모든 서브셀에서 균일한 전류량을 생성하기 위해서는 앞에서 언급한 바와 같이 위치별로 균일한 광활성층을 형성하는 것이 중요하다. 

그림 2. POTSC소자와 태양전지 모듈 소자의 구조

  이러한 측면에서 POTSC 모듈의 경우 탠덤화로 인한 상ꞏ하부 서브셀간 전류 차이와 모듈화로 인한 서브셀간 전류 차이를 모두 최소가 되도록 제어해야 하기 때문에 POTSC보다 훨씬 구현하기 어렵다고 할 수 있다.  이러한 측면 때문에 POTSC 모듈은 2023년에서야 Christoph J. Brabec 교수 연구팀에 의해 최초로 보고되었다[12]. 연구팀은 대면적 POTSC 모듈을 구현하고 성능을 향상시키기 위해 새로운 모듈 구조를 도입하고 이를 활용하여 전류 매칭을 진행하였다. 기존에 연구되던 단일 구조 형태의 POTSC는 상부 및 하부 광활성층이 동일한 면적을 가지기 때문에 상ꞏ하부 서브셀 간의 광전류 차이를 최소화하기 위해 광활성층 두께를 정밀하게 제어하거나 광 경로 상에서의 반사, 굴절 등의 광학적 특성을 조절하였다. 그러나 이러한 방식은 한 기판 위에 여러 층을 쌓는 공정 특성상 공정 윈도우가 제한될 뿐만 아니라, 상부 층을 형성하는 과정에서 하부 층이 손상될 가능성이 있다. 

그림 3. (a,b) 기계적으로 적층하여 형성하는 탠덤 모듈 구조 (a) 및 사진 (b), (c) 최적화된 조건에서의 페로브스카이트, 유기 태양전지 모듈과 이들의 직렬, 병렬 연결 형태의 POTSC 모듈 성능

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