국내 연구진이 태양전지 제작 과정에서 온도를 얼마나 빨리 올리느냐에 따라 효율을 크게 높일 수 있는 기술을 개발했다.
대구경북과학기술원(DGIST) 양기정·김대환 에너지환경연구부 책임연구원 연구진과 김준호 인천대학교 교수 연구진은 소재를 열로 가공할 때 온도를 빠르게 올리면 결정이 규칙적으로 성장하고 결함이 줄어 전류가 원활히 흐른다는 사실을 확인했다고 20일 밝혔다.
연구진이 사용한 안티모니 셀레나이드(Sb₂Se₃)는 카드뮴이나 납 등 유해 물질 없이 지구에 풍부한 안티모니와 셀레늄만으로 만든 친환경 소재다. 이 소재는 빛을 잘 흡수하고 열과 화학 반응에도 강해 튼튼하며, 저비용으로 대량 생산이 가능하다.
기존 소재는 결정이 불규칙하게 자라고 결함이 많아 전류가 원활히 흐르지 못해 효율이 낮았다. 연구진은 이를 해결하기 위해 태양전지를 만드는 과정에서 온도를 올리는 속도, 즉 결정 성장 속도를 조절하는 방법을 실험했다.
그 결과, 온도를 빠르게 올리면 결정이 일정한 방향으로 가지런히 자라고 결함이 줄어 전류가 막힘없이 흘렀다. 반대로 천천히 올리면 결정이 제각각 형성되고 결함이 많아져 전류 흐름이 방해받았다. 연구진은 주사전자현미경, X선 회절 등 다양한 장비를 활용해 이를 정밀하게 확인했다.
실험 결과, 온도를 빠르게 올리면 결정이 일정한 방향으로 가지런히 자라고 결함이 줄어 전류가 막힘없이 흐르는 것으로 확인됐다. 반대로 온도를 천천히 올리면 결정이 제각각 형성 결함이 많아지고 전류 이동이 방해 받았다. 연구진은 이를 주사전자현미경, X선 회절, 자외선광전자분광법 등 다양한 분석 기법으로 확인했다.
양 DGIST 책임연구원은 "이번 연구는 안티모니 셀레나이드 태양전지의 핵심 문제였던 결정 방향성과 결함 문제를 해결할 단서를 제공했다"며 "공정 초기 결정 성장 속도만 조절해도 소재의 잠재력을 극대화할 수 있어, 상용화와 대면적 모듈 개발에 큰 도움이 될 것"이라고 말했다.
연구 결과는 지난달 에너지 분야 세계적 학술지인 '재료 화학 저널 A (Journal of Materials Chemistry A)'에 게재되며 속표지 논문으로 선정됐다.
참고 자료
Journal of Materials Chemistry A(2025), DOI: https://doi.org/10.1039/D5TA05256D