[에너지데일리 변국영 기자] 한국에너지기술연구원 태양광연구단 송희은 박사, 충북대학교 물리학과 김가현 교수 공동 연구팀이 실리콘 이종접합(SHJ) 태양전지 효율 저하의 요인인 결함의 형태를 최초로 규명하는 데 성공했다.
이번 연구 결과는 결함을 억제하는 패시베이션 기술과 연계해 태양전지 효율을 크게 향상시킬 것으로 전망된다.
연구진은 기존의 분석 방식을 고도화하고 태양전지의 과도응답 전체를 분석하는 새로운 해석 기법을 제안했다. 이를 통해 최근까지 한 종류일 것으로 가정했던 이종접합 태양전지의 핵심 결함은 사실 두 가지의 결함이 중첩된 형태라는 것을 알아냈다. 즉, 실리콘 이종접합 태양전지의 결함이 두 가지의 복합적인 형태로 존재함을 최초로 규명한 것이다.
연구진이 발견한 두 가지 형태는 느린 상(깊은 결함)과 빠른 상(얕은 결함)으로 두 형태를 각각 분석함으로써 심도, 소자 내 위치, 원자 결합 형태 등 다양한 특성이 서로 다르게 나타나는 것을 확인했다. 이를 통해 패시베이션 기술 연계를 위해서는 결함의 증감 등 정량적 평가와 더불어 소자 특성에 미치는 영향 중심의 질적 평가도 매우 중요하다는 점을 입증했다.
또 연구진은 두 형태의 결함은 태양전지의 제조 공정과 소자 구동에 따라 원자 간 결합과 상태가 변화할 수 있다는 것을 밝혀냈다. 특히 태양전지에 포함된 수소가 결함 상태 변화의 핵심 요인으로 작용한다는 것을 실험적으로 증명했다.
에너지연 태양광연구단 송희은 박사는 “본 연구를 통해 고효율 실리콘 이종접합 태양전지 개발을 가속화하고 나아가 에너지연의 독자 기술을 이용해 세계 최고 수준의 적층형 태양전지를 구현할 수 있을 것으로 기대한다”고 밝혔다.
충북대학교 물리학과 김가현 교수는 “본 연구를 통해 결함과 패시베이션의 관계를 근본적으로 이해할 수 있다”며 “개발된 분석 방식을 태양전지뿐 아니라 센서, LED 및 CMOS 반도체 소자 등 다양한 반도체/디스플레이 응용 분야로 확장할 수 있을 것”이라고 밝혔다.
한편 태양전지 내에 발생하는 다양한 결함은 손실을 일으키고 변환 효율과 전력 발생량을 감소시킨다. 이를 방지하기 위한 방법으로 표면 코팅 등의 처리를 통해 결함을 제어하는 ‘패시베이션’ 기술이 사용되며 알맞게 적용하기 위해서는 각각의 태양전지에 발생하는 결함의 형태와 특성을 완벽히 이해해야 한다.
심층준위과도분광(DLTS)이라 부르는 기존의 결함 분석법은 태양전지에 순간적으로 전압을 가해 일시적으로 성질이 변한 상태로 만들고, 소자가 정상으로 돌아올 때까지의 반응(과도응답)을 측정해 분석한다. 그러나 전압이 가해진 후 정상으로 돌아올 때까지의 시간이 밀리초(1천분의 1초) 수준으로 매우 짧아 전체 과도응답을 측정하지 않고 전압이 가해진 직후와 정상 복귀 시 각 1번씩만 측정하는 방식을 활용해 왔다.
이는 단순한 구조를 지닌 소자의 분석에 적합하지만 전체 과도응답을 관찰하지 않아 실리콘 이종접합 태양전지처럼 복합적인 결함을 가지는 소자의 분석에는 걸맞지 않았다. 이에 따라 최근까지도 실리콘 이종접합 태양전지의 결함과 특성은 간접적으로 유추할 뿐 실체를 파악하기 어려웠다.
