실리콘 태양전지를 넘어설 수 있을까? 주목할 만한 태양전지들

 점점 심각해지는 환경 오염 문제와 더불어 화석 에너지의 고갈 때문에 신재생 에너지에 전 세계의 관심이 집중되고 있다. 그 중 태양전지는 태양빛으로부터 에너지를 발생시키므로 자원이 무한적이며 공해가 적고, 반영구적인 수명을 가지고 있어 미래의 에너지로 가장 기대되고 있다. 연구 자료에 따르면 10%의 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지로 지구 전체의 0.1%만 채워도 인류가 사용하는 에너지를 전부 공급할 수 있다고 한다. 즉, 얼마나 더 높은 에너지 변환 효율을 갖는 태양전지를 실용화하느냐에 따라 인류의 미래에너지가 결정되는 것이다. 현재 효율과 가격이라는 두 가지 측면에서 기술 개발이 이루어지고 있는데 항공과 우주에 관련된 태양전지는 가격보다는 효율에, 화석 연료를 대체하는 신재생에너지에 관련된 태양전지는 효율보다는 가격에 초점을 맞추고 있다. 따라서 범용적인 목적을 충족하는, 고효율이면서 저가의 태양 전지를 개발하기 위해 1세대, 2세대, 3세대 태양 전지 순으로 발전해 나가고 있는 것이다.

태양전지는 소재에 따라 크게 실리콘 태양전지, 화합물 반도체 태양전지, 염료감응 태양전지, 유기물 태양전지 등으로 분류된다.

[그림 1. 태양전지의 종류]

출처:국내외 태양광 기술개발 및 시장 동향, 정훈

 위의 표에는 20%의 고효율로 전체 시장의 95%의 자리를 차지하고 있는 실리콘 태양전지 말고도 다양한 종류의 태양전지가 있다. 2000년대 이후로 태양전지의 재료비를 획기적으로 낯출 수 있는 대안으로 유기물의 태양전지가 주목받고 있다. 식물의 광합성 작용을 응용한 염료감응형 태양전지(DSSC), 유기물 반도체를 이용한 유기박막전지가 대표적이다.

유기박막 태양전지

 유기박막 태양전지는 유기반도체 물질 기반의 P-N 접합구조를 이용하며, 흡수층의 재료 구성에 따라 유기단분자계와 고분자계로 나누어진다. 유기 단분자의 경우는 진공에서 가열하여 donor층과 acceptor층을 동시에 형성시키는 방법을 사용하고, 유기 고분자의 경우는 donor와 acceptor물질이 함께 녹아있는 용액을 spin coating법이나, ink-jet printing법, 또는 screen printing법 등과 같은 wet process를 이용하여 막을 형성시킨다. 유기박막 태양전지에 광을 쬐어주면, donor 물질에서 광을 흡수하여 들뜬 상태의 전자－정공 쌍(exciton)이 형성된다. 이 들뜸은 임의 방향으로 확산하다가 acceptor물질과의 계면(interface)을 만나면 전자와 정공으로 분리된다. 즉, 계면에서 전자는 전자친화도가 큰 acceptor 물질 쪽으로 이동하고 정공은 donor 쪽에 남아 각각의 전하 상태로 분리된다. 이들은 양쪽 전극의 일함수 차이로 형성된 내부 전기장과 쌓여진 전하의 농도 차에 의해 각각의 전극으로 이동하여 수집되며 최종적으로 외부 회로를 통해 전류의 형태로 흐르게 된다. 이 현상을 광기전력 효과(photovoltaic effect)라고 한다.

 

[그림2. 유기 박막전지의 원리,(a)bi-layer structure, (b)bulk-heterojunction structure]

출처:유기박막 태양전지 개발 동향, 신원석ᆞ윤성철ᆞ문상진

 유기 태양전지는 재료가 저렴하고 인쇄나 잉크젯 등의 도포 공정으로 대면적 태양전지를 제조할 수 있어 제작 단가가 낮고, 플라스틱 필름 위에도 막을 형성할 수 있어 이동용 전자기기나 wearable 등 다양한 적용이 가능하다는 장점이 있다. 2000년대에 들어 10%대의 효율을 보이고는 있으나 실용화 개발에 선두 역할을 했던 미국의 Konarka사의 도산과 태양광 시장 침체로 발전 속도가 다소 지연되고 있는 상태이다. 해외에서는 독일 Heliatek가 탠덤구조로 12%의 효율을 달성하였고, 일본 Mitsybishi Chemical은 롤투롤 인쇄공정을 이용한 플렉서블 제품의 상용화를 진행하고 있으며, 국내는 코오롱인더스트리에서 롤투롤 연속 인쇄공정 기반으로 wearable, 아웃도어 용품에 적용하기 위한 제품을 개발하고 있다. 또, 전체 소자의 두께가 수 백 nm에 불과하고 플렉시블하게 제작할 수 있어 무게와 두께, 형태에 제약이 적어 초소형 혹은 이동통신용 기기 등의 새로운 용도의 전원으로의 응용 가능성이 기대되고 있다.

 

연료감응형 태양전지(DSSC)

 염료 감응형 태양전지(DSSC)는 식물의 광합성 원리를 응용한 전지로써, 햇빛을 받으면 전자를 방출하는 특정 염료와 전해질을 이용해 전기를 만들어내는 방식이다. 염료 감응형 태양전지가 기존의 태양전지와 다른 근본적인 차이점은 태양에너지의 흡수과정과 전하 이동 과정이 분리되어 태양에너지 흡수는 염료가 담당하고, 전하의 이동은 전자의 형태로 반도체에서 담당한다는 것이다. 염료 감응형 태양전지는 TiO2 를 주성분으로 하는 반도체 나노입자, 태양광 흡수용 염료 고분자, 전해질, 투명 전극 등으로 구성되어 있다. 전지 내부에는 투명 기판 위에 코팅된 투명 전극 위에 염료 고분자가 단분자층으로 코팅되어 있는 다공질 TiO  나노입자가 있고, 반대쪽 환원 전극이 위에 올라가며, 그 사이에 30~100㎛정도의 공간이 산화-환원용 전해질 용액으로 채워진다.

 태양광이 전지에 입사되면 광자(photon)가 염료 고분자에 의해 흡수된다. 염료는 태양광 흡수에 의해 전자를 배출하여 TiO2 나노입자(정공)로 보내고, 배출된 전자는 나노입자를 따라 투명 전극 필름으로 흐르게 되는데, 이 과정에서 전류가 흐르게 되는 것이다. 즉 표면에 염료 고분자가 화학적으로 흡착된 N형 나노입자 반도체 산화물 전극에 태양광이 흡수되면 염료 고분자는 전자-정공쌍을 생성하며, 전자는 반도체 산화물의 전도띠로 주입된다. 주입된 전자는 나노입자간 계면을 통해 투명 전도성막으로 전달되어 전류를 발생시키며, 염료 분자에 생성된 정공은 산화-환원용 전해질에 의해 전자를 받아 다시 환원된다. 

[그림 3. 실리콘 태양전지와 연료감응형 태양전지 비교]

출처:미래 시장의 유망 선두주자, 3세대 태양전지, 박창걸

 염료 감응형 태양전지는 구조가 간단하고 소재가 저렴하여 가격 경쟁력이 있고, 산란광이나 약한 빛에서도 발전이 가능하며, 가볍고 광투과성이 높다. 아직까지 본격적인 양산화를 이룬 업체가 눈에 띄지 않고, R&D 또는 Pilot Line 규모의 생산체제에서 소량으로 생산하고 있는 상황이다. 그러나 DSSC의 상용화가 늦어질 경우, 기존 결정질 및 CIGS, CdTe 박막 태양전지가 시장을 선점할 가능성이 있고, 작동원리가 유사한 유기 태양전지에게 시장을 빼앗길 수 있기 때문에 가능한 빠른 상용화를 추진해야 하는 필요성이 있다. DSSC는 2011년 기준 휴대용 전자기기의 충전기 분야를 중심으로 4.1MW수준의 초기시장 단계에 머물러 있으나, 본격적인 상용화 시점으로 예상되는 2014년~2018년 사이, 주요 업체들의 BIPV제품(BIPV-건물일체형 태양광 모듈) 등장으로 DSSC시장의 급속한 성장을 주도할 것으로 보여, 2020년 기준 1.30GW, 9억 달러의 생산량을 보일 것으로 예상된다. 특히 수년 내에 국내외 대형업 체의 진출이 예상되어, Window 및 Wall용 BIPV 제품이 본격적으로 시장에 진입되면서 그 성장은 가속화될 것으로 예상된다.

떠오르는 신성 Perovskite 태양전지

 태양전지에서 활발하게 연구되고 있는 수많은 종류 중에 최근에 ‘HOT’하게 떠오르고 있는 Perovskite 태양전지도 단연 눈여겨봐야 할 대상이다. Perovskite 물질은 2009년 일본 Toin 대학의 T.Miyasaka 교수 연구팀에 의해 최초로 태양전지에 적용되었다. Perovskite 태양전지가 처음 연구되었을 당시에는 3.8%의 광전효율을 보이며 기존에 연구됐던 태양전지효율과 비교했을 때 크게 눈여겨 볼 대상이 아니였다. 하지만, 2012년 성균관대학교 박남규 교수의 연구팀은 기존 액체 전해질을 사용하는 염료감응형 태양전지 구조에를 개선해, 고체 염료감응형 태양전지를 개발하였다. 액체 전해질에 비해 고체 상태의 홀전도체를 사용하는 태양전지는 그 안정성이 높고 효율적 측면도 크게 개선돼, 이 시점을 이후로 Perovskite 태양전지에 대한 연구와 물질 개발이 급속도로 증가하여, 본격적으로 개발이 시작 된지 4년 만에 광전효율 20%를 달성하는 쾌거를 이루었고, 다른 태양전지에 비해 매우 큰 성장세를 보이고 있다.

[그림 4. Perovskite 태양전지의 효율 성장세]

출처 : Asia Biomass office

 

- 페로브스카이트 태양전지란?

 Perovskite 태양전지가 무엇일까? Perovskite 태양전지란, 태양전지를 구성하는 반도체물질이 Perovskite 결정구조를 가진 물질로 된 태양전지이다. 아래 그림에 Perovskite 구조를 도식화한 그림을 볼 수 있다. Perovskite 구조는 보통 ABX의 화학조성을 지니는데, 이 화학식에서 A에 양이온 유기물을 사용할 경우 우수한 태양전지 특성을 갖게 된다.

[그림 5] Perovskite의 결정구조.(ABX)

출처 : Ossila

 

 위와 같은 구조를 가진 Perovskite 물질은 아래의 그림과 같이 태양전지를 구성하게 된다. 태양전지 외부에서 빛이 들어오게 되면, Perovskite에서 전자와 정공이 생성되게 되고 생성된 전자와 정공은 각각 이산화티타늄/극성용매와 정공 전도성 고분자를 통해 전극으로 이동하게 돼, 전류가 흐르게 된다.

[그림 6. Perovskite 태양전지 구조]

출처 : UNIST News Center

 

- perovskite 태양전지의 장점

 그렇다면 과연 Perovskite 태양전지의 장점은 무엇일까? 지금부터 Perovskite 물질에 대해 몇 가지 장점을 소개하겠다. 첫째로 가격이다. Perovskite 기반 태양전지는 실리콘 기반 태양전지보다 가격이 저렴하다. 실리콘 기반의 태양전지는 고온(900℃)에서 가열하여 불순물을 제거하기 때문에 공정과정에서의 가격이 높다. 하지만 Perovskite 물질은 상대적으로 낮은 온도(100℃)에서도 합성이 가능하여, 와트 당 75센트의 가격을 갖는 실리콘 기반 태양전지에 비해 와트 당 10~20센트 수준으로 저렴한 가격을 갖는다. 두 번째로는 효율이다. 약 40년의 역사를 지닌 실리콘기반 태양전지의 이론적인 광전효율의 한계는 약 32%정도이다. 하지만 Perovskite 물질을 기반으로 한 태양전지의 이론적 광전효율의 한계는 약 66%로 2배 이상의 효율을 갖는 것을 볼 수 있다. 이 이외에도 얇은 두께에 비해 흡광률이 매우 높다는 점과 유연성이 좋아서 응용할 수 있는 분야가 많다는 점도 큰 장점이다.

 

-해결과제

 perovskite 태양전지가 상용화 되기 위해서는 꼭 해결해야 할 몇 가지 해결과제가 아직 남아있다. 첫 번째로는 습도에 굉장히 취약한 점이다. Perovskite 물질은 습기에 노출되면 얼마 되지 않아 분해돼 버리는 치명적인 단점이 있다. 실제로 이를 극복하기 위해, Snaith 그룹에서는 분해되기 쉬운 층을 제거하여 1,000시간 이상 안정적으로 작동되는 태양전지를 개발했지만, 200시간이 지난 후에는 효율이 50%이상 감소하는 문제점이 또 발생하였다. Grätzel 그룹에서는 500시간 태양광을 조사했을 때, 20% 이하의 효율감소로 비교적 좋은 내구성을 보였다. 두 번째는 안정성 측면에서 해결과제가 남아있다. 현재 높은 효율을 보이고 있는Perovskite 태양전지는 인체와 환경에 유해한 납을 대량으로 함유하고 있다. 태양전지가 구동 될 때의 경우는 현재 보호조치가 안정적으로 되어가고 있지만, 태양전기가 폐기될 때의 문제는 완벽하게 해결하기가 힘든 실정이다. 그렇기 때문에 납을 대체할 물질을 찾는 방법과 납에 포함된 독성을 없애는 기술을 개발하는 것 또한 꼭 해결해야 할 과제이다.

양자점 태양전지 (Quantum dot solar cell)

 양자점 감응 태양전지는 무기 감응형 태양전지라고도 불리며, 디스플레이에서 사용되는 양자점(Quantum dot)을 이용한 태양전지이다. 장점으로는 전자와 정공의 분리를 위한 구조설계가 상대적으로 쉬우며,  실리콘 태양전지에는 미치지 못하지만 연료감응형의 염료나 유기태양전지의 고분자보다 상대적으로 매우 안정한 물질로 구성되어있다는 점, 그리고 아직 연구할 가치가 무궁무진하다는 점을 꼽을 수 있다. 양자점 감응 태양전지는 양자점 감응 태양전지와 양자점 기반 쇼트키 태양전지로 나눌 수 있다.

[그림7. 양자점 감응 태양전지의 구조]

출처 : KIST홈페이지

- 양자점 감응 태양전지

연료감응형 태양전지와 상당히 유사한 구조를 가진다. 전자 포집 원리도 연료감응형과 많은 유사점을 보이는데, 양자점이 빛을 받아 전자와 정공을 생성하고 TiO2층으로 전자가 전달되는 방식이다. 가장 큰 차이점은 염료감응형 전지에서 염료가 하는 역할을 양자점(QD)이 대신한다는 것이다.  

무기반도체(양자점) 감응형 태양전지의 무기반 도체(양자점) sensitizer는 기존의 염료 감응형 태양 전지의 염료와는 달리, 높은 흡광계수, 입자 크기에 따른 밴드갭 변화등 물리적 특성이 염료와 상이하여 태양전지 소자의 구성이 달라져야 된다. 현재 metal chalcogenide계열의 태양전지의 경우 광변환효율 (incident photon to current conversion efficiency: IPCE)이 ~80% 정도 이르는 것으로 보아 기존의 염료 감응형 태양전지와 동등한 충분한 양의 전류를 생성시키는 것으로 알려져 있다.

 하지만, 기존의 염료 감응형 태양전지에 비해 낮은 개방 전압(Voc)과 fill factor로 인해 5% 미만의 낮은 발전효율을 보인다.  무기 반도체(양자점) 감응형 태양전지에 적합한 액체 전 해질의 개발과 재결합을 방지할 수 있는 계면 처리를 통해 개방 전압과 fill factor를 개선하면 기존의 염료 감응형 태양전지의 성능을 뛰어넘는 고효율 태양전지의 개발이 가능할 것으로 기대되고 있다. 고체형 무기반도체(양자점) 감응형 태양전지에 서도 무기반도체(양자점)와 계면 접촉이 우수한 적 합한 홀 전도체의 개발과 표면 트랩 사이트의 감소 및 재결합 방지 기술이 개발된다면 기존의 염료 감응형 태양전지의 성능을 뛰어넘는 양산화가 가능한 고효율 태양전지의 개발이 가능할 것으로 기대된다.

- 양자점 기반 쇼트키 태양전지(Quatum dot schotttky- solar cell)

[그림8.쇼트키 접합 시 에너지 밴드 다이어그램]

출처 : Wikipedia

양자점 기반 쇼트키 태양전지는 쇼트키 접합의 원리를 이용한 태양전지이다.  쇼트키 접합에 대해 간단히 설명하자면,  쇼트키 접합(schottky junction)은 반도체와 금속이 접촉된 구조의 접합이며, 이때 밴드 휨(band bending) 현상이 일어나 전자와 정공의 흐름에 변화가 일어난다. 빛을 받게되면 전자와 정공이 생성되고 이때 반도체의 전도대(conduction band) 에는 전자가, 가전도대(valence band)에는 정공이 잠시 머무르게 된다. 이때 밴드 휨 현상에 의해  전도대에 있는 전자는 쇼트키 접합으로 인해 생긴 벽(schottky barrier) 때문에  금속으로 가기 어려워지고, 이로 인해 일정한 방향성을 가지게된다. 다른 태양전지와 차별화되는가장 큰 부분은 MEG 효과(multi Exiton effect)이다. 이는 일반 태양전지의 경우 태양광을 받을 때 하나의 전자 정공 쌍(엑시톤)이 생성되지만, 현재 쇼트키 태양전지에서 사용되고 있는Pbs, PbSe 반도체에서는 하나의 엑시톤이 2,3개의 엑시톤으로 바뀔 수 있는 가능성이 존재한다는 이론이다.

[그림9. QD 쇼트키 접합 기반 태양전지의 구조]

출처 : Intech

현재 양자점을 기반으로 하는 태양전지는 유기 태양전지 혹은 실리콘 기반의 태양전지에도 응용되고 있는 추세이다. 예를 들어 한국 표준과학연구원(KRISS)과 UST에서 개발중인 실리콘 양자점 태양전지의 경우 현재 한계에 부딪혀 있는 25%의 효율을 넘어설 수 있는 연구로 주목받고 있다. 실리콘 양자점 태양전지는 태양전지의 활성층인 실리콘을 나노구조체 형태의 실리콘으로 변환시킴으로써 흡수할 수 있는 파장 범위를 넓혀주는 것이다. 즉 실리콘의 밴드갭을 증가시켜 자외선 및 가시광선을 보다 효율적으로 흡수할 수 있게 해주는 것이다. 특히 실리콘 양자점 태양전지의 경우 실리콘 양자점이 활성층 내에 분포됨으로써 다양한 파장의 태양광을 직접 흡수할 수 있으며 down-conversion, down shifting 및 up-conversion이 활성층 내에서 이루어짐으로 변환된 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있고 하나의 광자로부터 2개 이상의 전자-정공쌍이 형성되는 MEG의 효과를 볼 수 있어, 태양전지 효율이 크게 증가할 수 있다.

현재 태양전지 산업의 90% 이상을 실리콘 태양전지가 차지하고 있지만, 상용 보급되고 있는 태양전지의 효율이 20% 미만으로 다른 재생에너지에 비해 효율대비 발전단가가 높다는 지적이 나오고 있다. 따라서 태양광산업의 확대를 위해서는 태양전지의 고효율화와 저가격화가 이루어져야만 한다. 앞서 소개한 기술들은 기존에 개발됐던 실리콘기반의 태양전지 기술보다 저렴하면서 효율을 높일 수 있게 개발되고 있는 기술들이다. 현재 상용화단계에 이르는 기술부터 앞으로 다가올 머지않은 미래에 만나볼 수 있는 기술들로서 태양전지 사용자들의 가격부담을 덜어주는 것은 물론 태양전지산업의 확대와 보급화를 가속화시켜 줄 것이라 기대한다.

참고 문헌

국내외 태양광 기술개발 및 시장 동향, 전공 이야기, Vaccum Magazine,2016, 정훈

유기박막 태양전지 개발 동향, 고분자과학과 기술 제 19권 3호, 2008, 신원석ᆞ윤성철ᆞ문상진

미래 시장의 유망 선두주자, 3세대 태양전지 DSSC, KISTI MARKET REPORT, volume 4, 박창걸

페로브스카이트 태양전지, 이남옥, 박남규

페로브스카이트 태양전지의 개발 현황 , 이은철

Research Trends in Heavy-Metal-Free Quantum Dot Sensitized Solar Cells, Current Photovoltaic Research 3(4) 126-129 (2015), 김재엽, 고민재

고효율 나노 양자점 태양전지 핵심기술 및 실용소자 개발
Development of Core Technologies and Proto-type Devices of Highly Efficient Nano Quantum-Dot Solar Cell, KRI SS/ I R- 2011- 027, 한국 표준과학연구원(KRISS)

Solar Cells - New Approaches and Reviews, book edited by Leonid A. Kosyachenko, ISBN 978-953-51-2184-8,