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국내 연구진이 저렴한 소재로 효율을 크게 높인 차세대 박막태양전지 기술을 개발함. 연구진은 상용화 작업에 돌입한 상태로, 향후 태양광 기술의 발전과 박막태양전지 산업에 기여하게 될 것으로 예상됨. 대구경북과학기술원(DGIST) 박막태양전지연구센터 강진규 박사 연구팀이 CZTS 박막태양전지 공정 과정에서 광흡수층 합성에 필요한 입자의 성장을 돕는 액상(L-CTSe)을 최초로 발견함.

연구팀은 CZTS 박막태양전지의 광흡수층에서 액상이 발현되는 것을 관찰하고, 이 액상이 광흡수층의 형성과 연관이 있다는 사실을 최초로 규명했음. 또 액상을 제어할 경우 저온에서도 광흡수층을 형성할 수 있다는 사실을 밝혀냄.

CZTS 박막태양전지는 유리기판 위에 관련 소재인 몰리브데늄, 아연, 구리, 주석을 넣고 진공 공정으로 얇은 박막을 형성시키는 것임. 이 금속 박막은 열처리 과정을 통해 합성되면서 태양광을 흡수하는 광흡수층으로 만들어짐. 이 과정에서 박막 내부에는 구리, 주석, 셀레늄이 함유된 액상이 발현됨.

연구팀은 액상이 포함된 박막 내부에서 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄으로 구성된 여러 크기의 입자들을 관찰했음. 작은 입자들은 액상에 쉽게 녹아 큰 입자들과 결합하면서 더욱 더 크게 성장했음. 이렇게 성장한 입자들은 구리, 아연, 주석, 황, 셀레늄 화합물로 구성된 광흡수층으로 형성됨.

DGIST 박막태양전지연구센터에서 개발 중인 CZTS 박막태양전지는 저렴하고 독성이 거의 없는 구리, 주석, 아연을 주요 소재로 활용함. 고가의 인듐, 갈륨이 소재인 CIGS 박막태양전지나 유독성 중금속인 납을 포함되는 페로브스카이트와는 달리 대량 생산이 용이함. 특히 DGIST 연구팀이 보유하고 있는 CZTS 박막태양전지 광전변환효율은 세계최고 수준인 12.6%를 기록하고 있어, 상용화 연구가 진행 중임.

김대환 박막태양전지연구센터 책임연구원은 "액상이 식으면서 발생하는 고체 상태인 잔류물질이 입자 경계에 일부 존재하는 것을 확인했다"며 "추가연구를 통해 이를 제거한다면 소자 효율을 더욱 향상시킬 수 있을 것"이라고 말함. 강진규 센터장은 "앞으로도 범용소재를 활용하는 미래 태양광 소재 기술을 선도하고, 박막태양전지 산업 발전에 이바지하고자 한다"고 밝힘.

본 연구 성과는 ‘Advanced Energy Materials’ 지에 게재됨