햇빛으로 전기를 생성하는 태양전지는 화석연료를 대체할 신재생에너지의 대표주자다. 그 중에서도 값싼 금속기판 위에 반도체 박막을 형성하는 박막태양전지는 가격 경쟁력이 뛰어나 관심의 초점이다. 현재 사용되는 박막태양전지는 에너지변환 효율은 높지만 제작비가 많이 든다. 매장량이 적은 희귀 원소인 인듐과 갈륨을 사용하는 탓이다. 국내 연구진이 값싸고 흔한 원소로 박막태양전지를 개발하는 데 성공했다. 

18일 한국연구재단에 따르면, 전남대 신소재공학부 허재영 교수팀은 주석 황화물을 기반으로 태양광 흡수층 형상 제어기술을 개발했다. 이어 이를 이용해 장시간 사용해도 안정적인 박막태양전지에 성공했다.

허 교수팀은 단순하면서도 대량생산에 적합한 '기상증착법'을 이용해 주석 황화물의 형상제어 기술을 개발했다. 기상증착법은 고온의 입자가 불활성 기체와 함께 증발,이동해 저온의 기판에 응축되면서 박막을 형성하는 기법이다. 증착 속도가 빠르고 대면적 소자 제작에 유리하다.

연구팀은 주석 황화물 흡수층 형성의 반응속도를 제어함으로써 기존에 알려진 판상 형태가 아닌, 고밀도의 정육면체 모폴로지(흡수층 박막의 최종적인 표면 형상) 형성이 가능하다는 것을 실험적으로 증명했다. 

이 같은 방식으로 제작된 박막태양전지는 2.984%의 광변환 효율을 보였고, 6개월 이상의 장기간 공기 노출에도 초기 효율의 98.5%를 유지하는 뛰어난 대기 안정성을 나타냈다. 이는 카드뮴 황화물 버퍼층을 기반으로 하는 주석 황화물 박막태양전지 중 최고효율이다.

연구팀에 따르면 이번에 개발한 모폴로지 조절 기술은 안티몬 셀레나이드(Sb2Se3) 등 다른 물질의 형상 제어에도 적용될 수 있다. 최근 주석 황화물은 박막태양전지의 흡수층뿐만 아니라 2차전지 음극소재로도 각광 받고 있다. 이런 형상 제어 기술을 활용하면 다양한 에너지 생산 및 저장 소자에 응용이 가능할 전망이다.

허 교수는 이번 연구 결과에 대해 "기존 박막태양전지 흡수층 소재 제작의 어려움을 극복하고 단순 친환경 원소를 기반으로 하는 흡수층 소재 연구의 기반을 마련했다”며 “화석연료를 대체할 정도로 경제성을 확보한 차세대 박막태양전지 개발을 앞당길 수 있을 것"이라고 말했다.

이번 연구는 과학기술정보통신부․한국연구재단 기초연구지원사업(개인연구), 산업통상자원부 에너지미래선도 인력양성 GET-Future 프로그램 지원으로 이뤄졌다. 연구 성과는 에너지 분야 국제학술지 '어드밴스트 에너지 머터리얼즈(Advanced Energy Materials)' 이달 4일자 온라인판에 실렸다. 다음은 허재영 교수와의 일문일답 

- 연구 진행 과정에 대해 말해달라.

▲원하는 모폴로지를 갖는 주석 황화물 흡수층 형성을 위해 증발법, 스퍼터링법, 급속열처리법 등 다양한 박막 형성 기술을 활용해 보았으나 그때마다 판상 모폴로지를 갖는 주석 황화물만 형성되었다. 거의 포기하던 찰나 우연한 기회에 기상증착법(VTD)과 관련된 논문을 읽게 되었고 이를 바탕으로 시행착오 끝에 원하는 결과를 얻을 수 있었다.

- 연구 중 어려움이 있었다면 뭔가.

▲주석 황화물 기반 박막태양전지 제조 시 기판 세척- 흡수층 제조- 표면 처리- 버퍼층 제조- 고저항 버퍼층 형성- 투명전극 형성- 메탈 전극 형성- 스크라이빙- 셀특성분석 등 여러 공정 과정을 거치게 된다. 실험실 자체 보유 장비가 부족해 공용 장비를 쓰다 보니 아무래도 결과를 바로 얻기가 힘들고 시간이 많이 걸렸다. 이런 진공 기반의 장비들은 연구비도 많이 들고 문제가 지속적으로 생겨 연구 흐름을 이어가기가 쉽지 않았다. 또 공정 관련한 세세한 노하우가 부족해 아쉬운 결과를 얻는 게 다반사였다. 석사 과정 임동하 학생(제1저자)이 끝까지 최선을 다해준 것이 좋은 결과로 이어지지 않았나 생각한다.

- 이번 연구의 의미에 대해 말해달라.

▲기존 미국 하버드대/MIT 공동연구그룹의 경우 ALD 공정을 기반으로 매우 우수한 주석 황화물 모폴로지를 얻을 수 있음을 보고했으나, 적절한 흡수층 모폴로지 형성과 관련한 메커니즘에 대한 제시는 없었다. 그러나 이번 연구를 통해 좀 더 대량생산에 친화적인 기상증착법 사용시 공정 압력 제어를 바탕으로 확산 거리 조절을 통해 주석 황화물이 일반적으로 보이는 판상 구조가 아닌, 정육면체 구조의 모폴로지 형성이 가능함을 확인했다. 이에 더해 카드뮴 황화물 n-타입 버퍼층을 활용해 박막태양전지 제작시 이런 모폴로지가 셀 효율에 큰 영향을 미친다는 것을 실험적으로 보였다. 

- 향후 연구 목표와 계획에 대해 말해달라.

▲아쉽게도 미국 하버드대/MIT 공동연구그룹이 보유한 세계최고 효율을 넘어서는 결과를 얻진 못했다. 그러나 짧은 연구 기간 동안 높은 효율을 얻은 경험을 바탕으로, 흡수층 및 버퍼층의 전기적 특성 제어, 후속 열처리 공정 등과 관련한 추가 연구를 통해 기존 주석 황화물 기반 태양전지의 최고효율을 넘어설 수 있는 결과를 내고 싶다.

송강섭 기자 successnews@successnews.co.kr

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