실리콘 이종접합 태양전지(SHJ)는 실리콘 기반 태양전지 중 가장 효율을 가지며, 최근 태양전지의 서로 다른 전지를 붙여서 더 높은 효율을 구현하는 탠덤 태양전지에 활용되고 있다.
한국에너지기술연구원(이하 에너지연) 태양광연구단 송희은 박사팀이 충북대 물리학과 김가현 교수와 공동연구로 실리콘 이종접합 태양전지 효율 저하의 요인인 결함의 형태를 세계 최초로 규명했다고 20일 밝혔다.
이번 연구는 결함을 억제하는 패시베이션 기술과 연계해 태양전지 효율 향상에 크게 기여할 전망이다.
태양전지에서 발생하는 다양한 결함은 손실을 일으키고 변환 효율과 전력 발생량을 감소시킨다.
이를 방지하기 위한 방법으로 표면코팅 등의 처리를 통해 결함을 제어하는 ‘패시베이션’ 기술이 있지만, 이을 알맞게 적용하려면 각각의 태양전지에 발생하는 결함의 형태와 특성을 완벽히 이해해야 한다.
기존 결함분석법인 심층준위과도분광(DLTS)은 태양전지에 순간적인 전압을 가해 일시적으로 성질이 변한 상태로 만들고, 소자가 정상으로 돌아올 때까지의 과도응답을 측정해 분석한다.
그러나 전압이 가해진 후 정상으로 돌아올 때까지의 시간이 ㎳(밀리초) 수준으로 짧아 전체 과도응답을 측정하지 않고 전압이 가해진 직후와 정상복귀 시 각 1번씩 측정하는 방식이다.
이는 단순 구조의 소자 분석에는 적합하지만, 전체 과도응답을 관찰하지 못해 실리콘 이종접합 태양전지처럼 복합 결함을 가진 소자의 분석과는 괴리가 있다.
이에 따라 최근까지 실리콘 이종접합 태양전지의 결함과 특성은 간접 유추할 뿐 실체를 파악하기 어려웠다.
연구팀은 기존 분석 방식을 고도화하고 태양전지의 과도응답 전체를 분석하는 새로운 해석 기법을 제안했다.
이를 통해 최근까지 한 종류로 가정했던 이종접합 태양전지의 핵심 결함이 두 가지의 결함이 중첩된 형태라는 것을 파악했다.
이는 실리콘 이종접합 태양전지의 결함이 두 가지의 복합적인 형태로 존재함을 최초로 규명한 것이다.
연구팀이 발견한 두 가지 형태는 느린 상의 깊은 결함과 빠른 상의 얕은 결함으로, 두 형태를 각각 분석해 심도, 소자 내 위치, 원자결합 형태 등 다양한 특성이 서로 다르게 나타나는 것을 확인했다.
이를 통해 패시베이션 기술 연계를 위해서는 결함의 증감 등 정량적 평가와 더불어 소자 특성에 미치는 영향 중심의 질적 평가도 매우 중요하다는 점을 입증했다.
아울러 두 형태의 결함은 태양전지의 제조 공정과 소자 구동에 따라 원자 간 결합과 상태가 변화할 수 있다는 것을 입증했다.
특히 태양전지에 포함된 수소가 결함 상태 변화의 핵심 요인으로 작용한다는 것을 실험적으로 증명했다.
송 박사는 “이번 연구는 고효율 실리콘 이종접합 태양전지 개발을 가속화하고, 에너지연의 독자 기술을 이용해 세계 최고 수준의 적층형 태양전지를 구현할 수 있을 것”이라고 말했다.
한편, 이번 연구결과는 지난달 국제학술지 ‘어드밴스트 펑셔널 머티리얼즈(Advanced Functional Materials/IF 19/JCR상위 4.5 %)’ 표지논문으로 게재됐다.
