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  • 기사등록 2019-09-05 11:59:06
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[기계신문] 태양전지의 효율을 더 높이는 방법으로 ‘탠덤(Tandem)’ 기술이 연구되고 있다. 태양광 파장을 흡수하는 광흡수층을 둘 이상 사용해 서로 다른 영역의 태양광을 모두 활용하는 전략이다.


울산과학기술원(UNIST) 신소재공학부 최경진 교수팀은 ‘투명 전도성 접착층(TCA)’을 이용하는 신개념 탠덤 태양전지를 개발했다. 이 전지는 광흡수층으로 ‘실리콘’과 ‘페로브스카이트’를 사용해 높은 효율을 얻었고, 제조과정이 간단해져 상용화 기대도 높아졌다.


태양전지는 반도체가 태양광 에너지를 흡수하면서 나타나는 전자의 흐름을 이용해 전기를 생산하는 장치다. 얼마나 많은 태양광 에너지를 전기로 바꾸느냐는 태양전지를 이루는 물질에 달려있다. 물질마다 받아들일 수 있는 태양광 파장 영역이 정해져 있어, 흡수되지 못한 에너지는 열로 손실되거나 버려진다.


탠덤 태양전지는 광흡수층으로 두 가지 이상의 물질을 사용한다. 각 물질이 받아들이는 태양광 파장이 다르므로, 흡수 가능한 에너지가 많고 따라서 효율도 높일 수 있다. 문제는 서로 다른 광흡수층을 연결하는 방식이다. 둘 사이가 매끄럽게 이어져야 에너지 손실도 줄기 때문이다.


기존에는 실리콘 태양전지 위에 페로브스카이트 박막 쌓아 올리는 방식으로 탠덤 태양전지를 제작했다. 그런데 이 경우 광흡수율을 높이기 위해 만든 실리콘 기판의 피라미드 구조 때문에 페로브스카이트 박막이 제대로 코팅되기 어렵다.


최경진 교수 연구팀은 현재 태양전지 시장에서 주류를 차지하는 ‘실리콘 기반 태양전지’와 ‘고효율 페로브스카이트 태양전지’의 일반적인 적층형 탠덤 구조와는 다른 투명 전도성 접착층을 이용한 신개념 2 터미널 탠덤 구조를 제안했다.


2 터미널 구조 탠덤 셀의 경우 4 터미널 탠덤 셀 보다 이론적 효율이 높지만, 각각의 밴드 갭을 최적화해야 하며, 직렬로 연결된 두 셀이 최고 효율로 동작하도록 광전류를 일치시키는 커런트 매칭(current matching)이 필요해 설계가 어렵다.



▲ 투명 전도성 접착층을 이용한 기계식 일체형 태양전지 모형 결합층인 투명 전도성 접착층(TCA) 기준으로, 아랫부분은 실리콘 태양전지이고 윗부분은 페로브스카이트 태양전지다. 은(Ag)이 코팅된 고분자 나노 입자들이 전류의 흐름을 도와준다.



이번 연구에서는 ‘투명 전도성 접착층을 이용한 기계식 일체형 페로브스카이트/실리콘 텐덤 태양전지’는 광학 계산 기반 설계 기술과 동시에 투명 전도성 접착층을 도입했다.


상부와 하부의 최대 광전류를 맞추기 위한 다층구조 페로브스카이트 셀 광학 설계를 진행했다. 두 개의 태양전지를 접합하면 양쪽에 흐르는 태양광에 따른 전류가 달라질 수 있고, 이 경우 최적의 효율을 얻어낼 수 없다. 따라서 양쪽 태양전지의 장점을 최대한 취할 수 있는 전류를 찾아 맞춘 것이다.


이를 위해 탠덤 태양전지에 맞는 최적 구조를 먼저 모델링했다. 실리콘의 밴드 갭은 조절할 수 없으므로, 페로브스카이트 물질의 농도를 조절하여 두께를 조절해 탠덤 태양전지를 이루는 두 개의 셀에 흐르는 광전류를 맞췄다.


탠덤 태양전지의 하부 셀로는 현재 태양전지 시장에서 모듈 발전 단가가 가장 낮은 p형 실리콘 기반 ‘알루미늄 후면 전계(Aluminum Back Surface Field, Al-BSF) 태양전지’를 사용했다, 그런 다음 고효율을 가지면서 투명한 페로브스카이트 태양전지를 상부 셀로 광 흡수를 극대화하였고, 각 상하부셀을 투명 전도성 접착층을 이용한 새로운 개념의 부착형 텐덤 구조를 개발했다.


최인영 UNIST 신소재공학과 석사과정 연구원은 “기존 적층형 구조의 탠덤 태양전지와 달리 부착형 탠덤 태양전지를 개발했다는 데 의의가 있다”며 “투명 전도성 접착층은 서로 다른 광흡수층을 효과적으로 연결한다는 걸 확인했다”고 전했다.


이번 연구에 참여한 신성이엔지 홍근기 박사는 “적층형 탠덤 태양전지보다 훨씬 간편한 방식으로 제작할 수 있는 방식”며 “기존 실리콘 태양전지 제조 시설을 그대로 이용할 수 있어 상용화 가능성이 크다”고 기대했다.


실제로 이번 연구에서는 현재 제조 단가가 가장 낮은 실리콘 태양전지(p-Si Al-BSF Solar Cell)를 하부 태양전지로 활용해 가격 경쟁력도 갖출 수 있다. 최경진 교수는 “하부 태양전지로 PERC 구조의 실리콘 태양전지와 밴드갭 조절 기술이 적용된 페로브스카이트 태양전지를 적용한다면, 24% 이상의 고효율 탠덤 태양전지 개발도 가능하다”고 전망했다.


2 터미널 구조의 탠덤전지의 경우, 제작 방법이 까다로운 문제점이 있으나 각각 제조된 서로 다른 광흡수 층을 갖는 두 개의 태양전지를 투명 전도성 접착층을 이용해 이어줌으로써, 커런트 매칭 기술 적용이 쉽고 제작이 간편해졌다.


기존 실리콘 태양전지 공정과 페로브스카이트 공정을 그대로 활용할 수 있기 때문에 상용화 가능성도 높다. 또한 이 제작 기술을 새로운 소재에 적용한다면 고효율을 갖는 탠덤전지 개발이 가능할 것으로 기대된다.


한편, 이번 연구는 한국에너지기술평가원의 에너지기술개발사업과 동서발전의 지원으로 이뤄졌으며, 에너지 분야 국제학술지 ‘나노 에너지(Nano Energy)’ 8월 22일(목) 온라인판에 게재됐다.


권혁재 기자 hjk@mtnews.net

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