인천대 교수 비진공 수용액 기반 고효율 태양전지 제조법 개발

인천대학교 물리학과 김준호 교수 연구팀은 비진공 수용액 스프레이 방법으로 광전변환효율 ~17% 이상을 갖는 고효율 Cu(In,Ga)(S,Se)2 태양전지 제조법을 개발했다고 밝혔다. 

Cu(In,Ga)(S,Se)2 태양전지는 대개 고가의 진공 장비를 사용해서 제작되고 있는데, 실용화를 앞당기기 위해서 제조 단가를 낮출 수 있는 용액 기반 제조공정이 전 세계적으로 연구되고 있다. 용액 제조에는 수용액뿐만 아니라 다양한 유기 용매가 사용될 수 있는데, 특히 용매로 물을 사용할 경우 다른 유기용매에 비해 가격이 저렴하고, 환경친화적이 있지만 여타 유기 용매에 비해 태양전지 광전변환효율이 낮은 것으로 알려져있다.

인천대학교 물리학과 연구팀은 알카리 족 원소인 K를 첨가한 수용액을 사용할 경우 고효율 태양전지가 제작될 수 있음을 보였다. 즉, K를 첨가한 수용액을 미량으로 더해서 Cu(In,Ga)(S,Se)2 광흡수층을 제조하게 되면 광흡수층에 존재하는 결함의 에너지 준위와 에너지 밀도가 크게 줄어들고, 이에 따라 태양전지 효율이 크게 증가됨을 밝혔다.

나아가 연구진은 n형 반도체를 Cd 이 포함되지 않은 In2S3 층을 사용할 경우에도 태양전지 변환효율이 ~16 %를 넘을 수 있음을 보였다. 제작된 Cu(In,Ga)(S,Se)2 태양전지의 광전변환 효율은 수용액 공정으로 지금까지 보고된 태양전지 중에서 세계 최고효율에 해당한다. 그리고 공기 중에서 광흡수층을 제작할 경우는 태양전지 성능이 좋지 못한 것으로 알려져 있는데, 본 연구 결과는 공기 중에서도 고품위 광흡수층을 제조할 수 있음을 보여준다.

연구 결과는 세계적 학술지인 Advanced Functional Materials (I.F.=19.92) 11월 10 일자에 “High Efficiency Aqueous Solution Sprayed CIGSSe Solar Cells: Effects of Zr4+-Alloyed In2S3 Buffer and K-Alloyed CIGSSe Absorber” 제목으로 게재되었다. 본 연구는 한구연구재단의 중견연구자지원사업과 단계도약형 탄소중립기술개발사업의 지원을 받고 수행되었다.